Закономерности тепломассообмена при десублимации водяного пара в пространственных компоновках промышленных десублиматоров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Акаев Константин Евгеньевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ДЕСУБЛИМАЦИИ ВОДЯНОГО ПАРА В ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОМПОНОВКАХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ДЕСУБЛИМАТОРОВ

Специальность 01.04.14- Теплофизика и теоретическая теплотехника

I

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий».

Научный руководитель- кандидат технических наук, доцент

Сосунов С. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Волынец А. 3.

кандидат технических наук, доцент Баранов И. В.

Ведущая организация- Московский государственный университет прикладной биотехнологии.

Защита состоится « » 2006 г. в/» часов на заседании

диссертационного Совета Д212.234.01 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, СПбГУНиПТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 24>у> Лс^и^ 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор

Л. С. Тимофеевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время потребность в ряде пищевых продуктов, прошедших сублимационную сушку, не снижается, несмотря на то, что современные технологии охлаждения позволяют пользоваться свежими продуктами практически весь год, а получение медико-биологических препаратов, биологически активных добавок и химических веществ с применением сублимационных методов обработки представляет всё больший интерес, что позволяет говорить об актуальности и необходимости дальнейшего развития сублимационной сушки.

Сублимация на сегодняшний день остается самым дорогостоящим методом консервирования. Принимая во внимание наличие достаточно широкого ассортимента установок иностранного производства, можно говорить о том, что снижение себестоимости продукции при развичии отечественного оборудования сублимационной сушки должно быть основано на реализации технических решений, направленных на повышение эффективности как отдельных элементов, гак и сублимационной установки в целом.

Неотъемлемой частью любой установки сублимационного обезвоживания, в значительной степени определяющей эффективность её работы, является система удаления образующейся в процессе сушки парогазовой смеси. В промышленных установках водяной пар вымораживают на охлаждаемых поверхностях. В связи с этим, интенсификация процессов массообмена, обеспечение надёжности работы и простоты эксплуатационного обслуживания десублиматора представляются актуальными задачами при создании отечественно! о сублимационно1 о оборудования.

Цель работы и задачи исследования. Интенсификация тепломассообменных процессов эвакуации парогазовой смеси и разработка на их основе высокопроизводительного сублимационного конденсатора.

В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:

-установление закономерностей и особенностей процесса десублимации пара на охлаждаемых поверхностях, обеспечивающих равный потенциал переноса пара, разработка соответствующей физико-математической модели;

-составление программы расчёта полей парциальных давлений водяного пара и толщин слоёв десублимата, определения времени эффективной работы охлаждаемой поверхности;

-экспериментальная проверка адекватности предложенной физико-математической модели;

-определение оптимальных параметров конструктивных элементов и режимных параметров сублимационного конденсатора;

пни. ,„Н\,

БИБЛ ИОТ1.КА I

^-Зса»:

—разработка инженерного метода расчёта десублиматоров, реализующих концепцию аппарата с разными температурами охлаждаемых элементов.

Объект исследования. Процесс вымораживания водяного пара в сублимационных конденсаторах при моделировании способов компоновки охлаждаемых поверхностей с различными температурами.

Методика исследования. Систематизация и анализ современных физических представлений о моделях протекания десублимации при различных условиях, разработка модели процесса десублимации в аппарате с несколькими температурами охлаждаемых поверхностей, проведенная с учётом результатов исследования эффективности алгоритмов расчёта термовлажностных полей в процессах эвакуации парогазовой смеси применением математического моделирования на ЭВМ и экспериментального на лабораторной установке.

Научная новизна. Впервые получены и обобщены данные по десублимации водяного пара при наличии нескольких температур поверхности разноудалённых от сублиматора сложноориентированных охлаждаемых элементов.

Получены данные определению потенциала переноса и по условиям обеспечения его постоянной величины независимо от расстояния до охлаждаемого элемента и его ориентации в пространстве вакуумной камеры.

Экспериментально и теоретически обоснована конструкция десублиматора, в которой реализуется равномерность осаждения десублимата по всей охлаждаемой поверхности без позиционного регулирования холодильной машины.

Практическая ценность. Полученные на основании теоретических и экспериментальных исследований инженерные методики расчёта десублиматоров, реализованные в виде программ для ЭВМ, позволяющие, в том числе, компоновать десублиматор с учётом конфигурации энергопродуктового блока. Практические результаты исследования использованы ООО «БИОХИМТЕХ» при разработке сублимационного оборудования для отрасли прикладной биотехнологии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной рабогы докладывались и обсуждались на Юбилейной 54-й студенческой НГК (С-Пб, 2001 г.); НПК профессорско-преподавательского состава, сотрудников, докторантов, аспирантов и студентов по итогам НИР (С-Пб, 2001-2005 г.г.); 56-й НТК Творчества молодых «Петербургские традиции хлебопечения, пивоварения и консервирования» (С-Пб, 2003 г.); второй международной НТК, посвящённой 300-летию Санкт-Петербурга «Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке» (С-Пб, 2003 г.); НТК с международным участием «Айс-сларри и однофазные хладоносители » (С-Пб, 2004 г.); второй международной НТК, посвящённой 100-легию проф. Попова В.И. «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004 г.); НТК

«Холодильные масла и масло-фреоновые смеси» (С-Пб, 2005 г.); международной конференции «Сублимационная сушка в фармацевтике и пищевой промышленности» (Москва, 2005 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 123 страницы основного машинописного текста, 33 страницы приложений, 47 иллюстраций и 4 таблицы. Список иснользованной литературы включает в себя 128 наименований работ, из них 121 отечественных и 7 зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Анализ схем конструктивного исполнения, технических характеристик и способов эксплуатации существующих десублиматоров позволяет сделать следующие выводы: в основном, охлаждаемые поверхности выполняют трёх типов: плоские, располагаемые параллельно друг другу вдоль потока пара, либо перпендикулярно потоку; трубчатые, секционированные нормально потоку пара; трубчатые змеевиковые с заполнением змеевиками всего объёма десублиматора.

В случаях расположения панелей перпендикулярно потоку парогазовой смеси ухудшается удаление неконденсирующейся составляющей смеси из пространства перед центральной частью панелей- здесь образуется пористый лёд невысокой плотности. С утолщением слоя льда условия тепломассообмена резко ухудшаются и для их восстановления требуются эффективные и надёжные способы сброса и удаления десублимата. При расположении трубчатых элементов в виде нескольких секций нормально расположенных к направлению движения парогазового потока, наблюдается осаждение пара преимущественно на фронтальную часть работающей секции (или на фронтальную часть первой секции, если хладагент подаётся одновременно во все секции). Работоспособность всех секций, как правило, обеспечивается их посекционным включением, начиная с самой удалённой от сублиматора.

Вышеизложенное позволяет говорить о том, что в целом производительность существующих десублиматоров ниже теоретической: либо поверхность обмерзает не полностью, либо часть поверхности в отдельные моменты времени вынужденно исключается из работы, что требует особых условий эксплуатации холодильной машины. Указанные предпосылки определили необходимость интенсификации гепломассообменных процессов эвакуации парогазовой смеси и разработки на их основе высокопроизводительного сублимационного конденсатора, в котором созданы

условия для осаждения водяного пара одновременно на все его охлаждаемые элементы.

В таком аппарате возможно •значительное повышение льдоёмкости при прежней площади охлаждаемых поверхностей и коэффициенте использования вакуумного пространства сублимационной камеры. Задача осуществления наиболее бысгрой регенерации также актуальна и требует рассматривать илоские поверхности, как наиболее перспективные.

В соответствии с целью работы, была сформулирована концепция десублиматора с охлаждаемыми поверхностями, выполненными в виде диффузорного канала течения парогазовой смеси, каждая следующая из секций которого в направлении движения потока имеет более низкую температуру, чем предыдущая.

Известные физико-математические модели, описывающие процесс десублимации, могут быть объединены в четыре группы: . в моделях первой группы описание процесса основано на использовании коэффициента теплоотдачи, как основного параметра, определяющего динамику десублимации. Методика базируется на большом числе экспериментальных данных и эффективна лишь для четких схем построения сублимационной установки с жёсткими рамками изменения режимных параметров.

. во второй группе моделей параметры процесса определяются конечной толщиной слоя льда, которая рассчитывается по снижению разности парциальных давлений сублимации и десублимации до предела, учитываемого введением коэффициента неравномерности тепловой нагрузки на охлаждаемой поверхности, полученного авторами опытным путём.

• третья группа моделей описывает случай десублимации чистого водяного пара, основным сопротивлением считается термическое сопротивление слоя льда.

• физико-математические модели четвёртой группы наиболее совершенны и позволяют учитывать нарастание слоя льда, изменение гидравлических сопротивлений переноса пара и влияние неконденсирующихся газов.

Несмотря на разнообразие расчётных схем, готовых решений процесса десублимации водяного пара в аппаратах с поверхностями, имеющими различную температуру, не найдено.

Основными допущениями модели являются: распределение температуры в десублимированном слое квазистационарно, сопро гивлением на границе фазового перехода пренебрежем, содержание неконденсирующихся газов в поступающей смеси до 4%.

Начальные и краевые условия задачи:

Tj(0<x<li, у-0, r~0)-Ti(0<x<li, у=0, т)-const;

Т2(0<х<1}, у=0, г~0)=Т2(0<х<12, у=0, т)-сот1;

ду ¡Я,

гр—- Я—-8т ду

Исходя из допущения, что главной движущей силой процесса перемещения водяного пара, определяющей характер распределения десублимата по поверхности, является перепад парциального давления пара между поверхностью сублимации и десублимации, разработана физико-математическая модель, положенная в основу предлагаемого десублиматора, которая в качестве основных влияющих факторов учитывает:

- расстояния между охлаждаемыми элементами (расстояния между суженным концом панелей и угол, образуемый панелями), определяющие падение давления по длине канала;

- величина парогазового потока, поступающего из сублиматора;

- давление в камере;

- температуры охлаждаемых поверхностей;

- сопротивление неконденсирующихся газов переносу пара;

- термическое сопротивление слоя льда.

Первые три фактора- определяющие при нахождении падения давления пара р„1 -рП2, вызываемого сопротивлением движению пара по стеснённому каналу, образованному охлаждаемыми элементами, которое может быть выражено из формулы

(2)

где и- проводимость канала, м3/с; Q- поток парогазовой смеси, Н-м/с.

Влияние неконденсирующихся газов, выделяющихся из смеси при десублимации пара, создающих сопротивление переносу пара к охлаждаемой поверхности, может быть учтёно. при помощи зависимостей, описывающих диффузионный перенос пара сквозь эти газы

,. Р„ О Рсм <#>„ р=-/—»---а>---Е. /Зч

где Я„- газовая постоянная водяного пара, Дж/(кгК); рСМ1 рп давление, соответственно, парогазовой смеси и пара, Па; Тш- температура смеси. К; О-коэффициент диффузии, м2/с; /- площадь живого сечения канала, м2, р-плотность смеси.

Коэффициент диффузии В рассчитывается по формуле

рйХ

+ У' - ; (4)

_=1,47Г'(Г„ 7;)0'5; (5)

где См- коэффициент бинарной системы; Мп М№ Уп, Ув - молекулярные массы и молярные объемы паров воды и воздуха, соответственно.

Допущение о том, что неконденсирующиеся газы оттесняются набегающей парогазовой смесью к охлаждаемой поверхности и движутся вдоль неб в сторону отсасывающего патрубка вакуум-насоса в виде пристенного слоя, позволило получить достаточно чувствительную и эффективную расчётную модель.

Совокупность указанных сопротивлений и давлений сублимации и десублимации можно условно назвать потенциалом переноса пара и обозначить как

где Рг парциальное давление сублимируемого пара; ЛРд- падение давления, обусловленное суммой сопротивлений движению пара; РД-парциальное давление, определяемое термическим сопротивлением намёрзшего льда и соответствующее температуре его наружного слоя.

Физико-математическая модель реализована в виде расчётной программы для ЭВМ, алгоритм которой кратко можно представить следующим образом: в соответствии со схемой на рис. 1, плоскость поверхности истечения пара т

Рис. 1. Схема формирования координатной сетки к алгоритму расчёта: 1,4-охлаждаемые панели десублиматора; 2,3- слой десублимата.

разбивается на микрообъёмы определённых размеров и в соответствии с временным ша! ом. Охлаждаемая поверхность также разбивается на зоны к, х и для микрообъёма мт определяется потенциал к каждой из них. Зона, поверхности, идентификатор которой в расчётное время соответствует идентификатору наибольшего потенциала, считается зоной десублимации. Расчёт осуществляется последовательно для каждого из участков от 1 до т, после чего перед переходом на следующий временной шаг определяются поля толщин льда, условных толщин слоев неконденсирующихся газов,

Рогет = Р1-АРЛ ~Рг,

О)

8

х

парциальных давлений пара. Процесс сушки прерывается при равенстве потенциала нулю.

Очевидно, что десублиматор, в котором потенциалы разноудалённых от сублиматора охлаждаемых поверхностей равны, будет наиболее эффективным.

Поскольку для различных чисел Кнудсена формулы расчёта проводимости и имеют отличный вид, определение режима течения пара предваряет соответствующее преобразование формулы (2) в соответствии со структурой формулы расчёта проводимости канала.

Так, в вязкостном режиме течения парогазовой смеси, в соответствии с обозначениями рис. 1, давление пара на входе в пристенный слой неконденсатов возле охлаждаемой поверхности к из (2) выражается в виде:

I д

Р»_к = , --, 3 , (')

Парциальное давление пара возле зоны охлаждаемой поверхности к:

МхО^сЛщА» т Рк = /У* -ехр(~—-—=--)-(А-р, ,) (8)

иРс «п к пан Япт

с учётом (7) и (8) потенциал переноса (1) выражается как

2 0 1277-2^ .КОТсЛпарК

т

Ро,епг=Рсм]-^ ' -ехр( — ~ —)-(д, к -р„ к)-рг (9)

V 4я» "Аи» к 0Рс,г_кИпан "ю, -

Учёт стекания неконденсатов в различных моделях осаждения влаги может дополнительно корректироваться введением поправочного коэффициента в формуле (3). Такой подход имеет вынужденный характер и требует проверки адекватности полученных расчётным путём результатов реальному протеканию процесса с помощью натурных экспериментов, для чего был специально сконструирован экспериментальный стенд, представленный на рис. 2.

Схема стенда и методика проведения эксперимента. Рабочие элементы экспериментального стенда- две расположенные друг за другом по ходу пара пары охлаждаемых элементов 1 и 2, имеющие возможность изменения расстояния и угла между панелями, а также различные температуры за счёт автономных холодильных машин 8 и 9 (рис. 2). Пар в десублиматор подаётся генератором водяног^ пара (ГВП) 14, в котором сублимируется из льда теплотой, подводимой электронагревателями. Неконденсирующиеся газы удаляются вакуумными насосами 6, 7.

Измерение температурного поля каждой панели производилось с помощью пяти зачеканенных по диагонали медь-константановых термопар. Парциальные давления водяного пара определялись путём пересчёта по известным зависимостям значений температуры вмороженных в висящие ледяные цилиндры диаметром 7 мм термопар в 11 точках камеры- возле панелей и в центре канала. Общее давление в камере индицировалось вакуумметром ВСБ-1

с датчиком ПМТ-6. Поля толщин слоёв десублимата строились на основании показаний установленных на панели в регулярном порядке маркеров высотой 30 мм.

В соответствии с методикой проведения опытов и необходимым их объёмом, следующие параметры изменялись в пределах: температура ближних к сублиматору охлаждаемых элементов -24--30°С. удалённых ^---24 г-42°С;

7-пусковой вакуум-насос ВН-2МГ; 8- холодильная машина 1; 9- холодильная машина 2; 10-блок управления ГВП; 11- сосуд Дьюара; 12- термопары панелей (20пгг); 13-вольтмстр универсальный; 14- ГВП; 15- датчик ПМТ-6 вакуумметра.

угол разворота поверхностей а= 0 + 15°; расстояния между парными охлаждаемыми элементами на суженом конце smH~ 0,015+0,15 м; тепловые нагрузки на охлаждаемых поверхностях десублиматора q= 500+1750 Вт/м2.

Результаты математического и экспериментального моделирования.

Результаты проведенных исследований условно можно разделить на качественные и количественные.

Качественное обобщение особенностей протекания процесса десублимации при различных параметрах работы аппарата позволило условно разделить наблюдаемые режимы осаждения пара на три типа: 1. режим, который целесообразно назвать режимом перекрытия (рис. 3.1), поскольку для него характерно намораживание льда на начальном участке поверхности панелей с последующим перекрытием проходного сечения между ними. Во всём диапазоне исследованных параметров десублиматора

при расстояниях между параллельными панелями иМ1. менее 0,04 м десублимация происходила в данном режиме;

2. режим, называемый режимом поршневого вытеснения неконденсата набегающим потоком пара, сопровождаемое практически плоскопараллельным перемещением границы фазового перехода (рис. 3.2). Режим осуществляется в следующем диапазоне параметров: 5тн= 0,045+0,100 м при ц -500 Вт/м2 и 0,045+0,080 при ^"1750 Вт/м2.;

3. режим фронтального осаждения, характеризуемый одновременным льдообразованием на разноудалённых от сублиматора участках охлаждаемой поверхности (рис. 4.3). Развивается при увеличении $аес более значений, характерных для поршневого режима десублимации.

..........!_

I

3 з

Рис. 3. Качественная картина осаждения в режимов осаждения

При анализе влияния вышеперечисленных факторов представляется целесообразным введение коэффициента неравномерности осаждения Кр, определяющего эффективность использования поверхностей охлаждаемых элементов с различной температу рой

(Ю)

где С), С? -соответственно, льдоёмкость ближней к сублиматору и удалённой охлаждаемой панели, кг; <7/, -большая из льдоёмкостей, кг.

На рис. 4 представлен график зависимости Кнр от расстояния между параллельными панелями и температурного перепада при тепловых

нагрузках десублиматора 1750 Вт/м , из которого следует, что с увеличением адес, ¿Ьсекц и д происходит перераспределение льда с первых по ходу пара панелей на последующие (отражаемое изменением коэффициента равномерности осаждения от 1 до -1). Установлено, что возможно осадить практически весь лёд на удалённые охлаждаемые поверхности, однако практическою смысла такое решение десублиматора не имеет, поскольку после того, как слой льда на дальней охлаждаемой поверхности достигает максимальной толщины, определяемой гидродинамическими условиями

(учитываемыми в данной постановке задачи потенциалом переноса пара), осаждение пара осуществляегся на ближней к энергопродуктовому блоку охлаждаемой поверхности.

Обеспечение равномерного осаждения льда на обе поверхности (Кн/1=0) не всегда сопровождается максимумом объёмной льдоёмкости. Поэтому оценка

Рис. 4. Зависимость коэффициента неравномерности осаждения от s^ и AtceK4 при удельной тепловой нагрузке десублиматора q= 1750 Вт/м2, tf-- -30 °С.

работы сублимационной системы производилась с использованием графиков зависимости льдоёмкости G и объёмной льдоёмкости Gv от режимных параметров десублиматора.

График Gv=f(q, Atceaf sdec) (рис. 5) имеет экспоненциальный вид с наибольшей крутизной в области малых значений s,^ и участок, изменение G

: опытные точки представлены для кривых 3 и $ -1-.-1-.-1_

1-dU.r28K, q-1750 Вт/м;

2- dtc„a=20 К, Ч- 1750 Вт/м° 3 dt^-12 К, q 1750 Вт/м2 4-dtOT,-4K q=" 1750 Вт/м2

,-28 К, q- 500 Вт/м2

6- dt^-20 К, q- 500 Вт/м2

7-dt=«u-12K,q~500 Вт/м2

8- dt^-4 К, q- 500 Вт/м3

и и/ uuv и,п и. i J

, Зависимость льдоёмкости от .w и AtceKy при q= 1750 Вт/м2, tf= -30 °C.

на котором невелико. Это позволяет сделать вывод о том, что увеличение расстояний между панелями более указанных значений (в представленном случае 0,09-5-0,11 м) нецелесообразно.

Полученный вывод наглядно иллюстрируется графиками зависимости удельной объёмной льдоёмкости А1секц, (рис. 6) с ярко

выраженными максимумами, обусловленными уменьшением прироста льдоёмкости О и одновременным постоянным увеличением объёма десублиматора при росте

80 -.-^-■-1-1-н-■-1-1-1-.-к

0,03 0,05 0,07 0,09 0,11 0,13 8дес, м

Рис. 6. Зависимость удельной объёмной льдоёмкости от и Л(сещ при 1750 Вт/м2, /,=-30 °С.

Можно отметить, что максимумы О, с увеличением А1сеП1 смещаются в область меньших здес. При этом большим значениям объёмной льдоёмкости соответствуют большее время работы и большая равномерность осаждения. Характерно то, что с понижением температуры удалённой от сублиматора поверхности равным долям темпера 1урных перепадов соответствуют всё уменьшающиеся доли изменения Ск что позволяет установить рациональное значение температурных перепадов при различных удельных тепловых нагрузках.

Характер графиков, представленных на рис. 6 и более широко на рис. 7, позволяет как судить о том, что увеличение удельной тепловой нагрузки на охлаждаемых поверхностях десублиматора приводит к росту его объёмной льдоёмкости, так и указать рациональное значение удельной тепловой нагрузки, при превышении которого увеличение объёмной льдоёмкости незначительно- 2000 Вт/м3.

Вдас-0,07 м

120 Г ■ ' ' I ' ■ ■ I ' ' 1 I ■ ' ■ ■ I ' ■ ' I ' ' ■ I ' '—' I ' 500 700 900 1100 1300 1500 1700 q, Вт/м2

Рис. 7. Зависимость максимальной удельной объёмной льдоёмкости от q и AtceKV при t,=-30 °С.

Определено влияние угла раскрытая панелей на динамику процесса дссублимации. В частности, установлено, что при углах не более 5-^8 и 7-н 11 град при, соответственно, q= 1750 и 500 В i/m2, возможно увеличение объёмной льдоёмкости на 7-ИО %.

Полученный материал позволил предложить объёмно-компоновочные решения конструкции десублиматоров встроенного и выносного гипов, а также методику их расчёта.

Основные результаты работы и выводы

1. Анализ современных теоретических разработок и путей совершенствования на их основе технологического оборудования для сублимационной сушки показывает перепек гивнос ib применения предложенной схемы хладоснабжения десублимагора, обеспечивающей различные температуры разноудалённых от сублиматора секций его охлаждаемых элементов. При этом условие осуществления наиболее быстрого сброса льда диктует плоскую их форму.

2. Разработаны физико-математическая модель и алгоритм расчёта процесса десублимации водяного пара в сублимационном конденсаторе с различными температурами отдельных секций и расстояниями между парными охлаждаемыми элементами, образующими канал течения парогазовой смеси.

3. Создана программа расчёта на ЭВМ полей парциальных давлений водяного пара, местоположения фронта фазового перехода, расчёта времени работы охлаждаемой поверхности. Сопоставление опытных и расчётных данных

подтверждает адекватность принятой физико-математической модели реальным условиям сушки.

4. Проведена классификация характерных режимов десублимации пара, различающихся индивидуальной динамикой продвижения фронта десублимации. Выделены три режима: перекрытия, поршневой, фронтального осаждения.

5. Установлены теоретически и подтверждены экспериментально с достаточной для инженерных расчётов точностью (9 %) зависимости удельной объёмной льдоёмкости десублиматора (?„ (с использованием которой проводилась оценка эффективности работы аппарата) от величины удельной тепловой нагрузки на его охлаждаемых поверхностях, геометрических и температурных параметров, позволившие выработать рекомендации по выбору рациональных параметров работы десублиматора.

6. Результаты математического и экспериментального моделирования десублиматора в условиях рассмотренной постановки задачи позволяют говорить о возможности увеличения объёмной льдоёмкости десублиматора в 1,5^2 раза.

7. Показано, что увеличение перепада температур разноудалённых от сублиматора охлаждаемых поверхностей приводит к росту массы намерзающего льда О и объёмной льдоёмкости (?„, однако эффективно только до определённого предела (в среднем 12 °С при ¡7=1750 Вт/м2 и 20 °С при д=1750 Вт/м2), более которого рост С* незначителен.

8. Льдоёмкость десублиматора С при росте расстояния между парными охлаждаемыми поверхностями монотонно увеличивается, однако графики зависимости С1У от .<г,>с имеют максимумы, объясняемые тем, что при росте более соответствующего указанным максимумам объём десублиматора превалирует над ростом СУ. Указанные максимумы б, являются пределом эффективности при данных условиях.

9. Корректировка объёмной льдоёмкости десублиматора может осуществляйся увеличением угла между охлаждаемыми поверхностями а, образующими сужающийся в направлении течения пара канал. Однако нецелесообразно увеличивать а более 5+8 и 7+11 град при, соответственно, <7=1750 и 500 Вт/м2.

10. Предложены схемы конструкций и методика инженерного расчёта промышленных десублиматоров встроенного и выносного типов.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке ООО «БИОХИМТЕХ» и НПО «Молния» образцов промышленных десублиматоров сублимационных установок, предназначенных дня использования в отраслях прикладной биотехнологии.

¿ообА-

»'62 ЗА

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Акаев К.Е. Тепломассообмен при десублимации водяного пара на пространственных конструкциях промышленных сублимационных конденсаторов. Научно-техническая конференция молодёжи, посвященная 300-летию Санкт-Петербурга. 14-21 апреля 2003 г.: Сборник трудов. - С-Пб.: СПбГУНиПТ, 2003, стр. 64.

2. Сосунов С.А., Акаев К.Е. Десублимация водяного пара на поверхностях с регулируемой температурой и изменяемой геометрией. Материалы 2-й Междунар. науч.-техн. конф. «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности»: В 2 ч./ Воронеж, гос. технол. акад. Воронеж, 2004 г., ч. 2,281-282 с.

3. Акаев К.Е., Сосунов С.А. Десублимация водяного пара на сложноориептированных охлаждаемых поверхностях с различными температурами по секциям. Вестник МАХ, С-Пб-Москва, 2005 г., №1, стр. 1921.

4. Акаев К.Е., Сосунов С.А. Анализ влияния компоновочно-технологических параметров секционного панельного десублиматора на процесс десублимации водяного пара. Вестник МАХ, С-Пб-Москва, 2005 г., №3, стр. 23-25.

5. Акаев К.Е. Сосунов С.А. Моделирование процессов десублимации промышленных сублимационных установок. Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий, С-Пб, 2005 г., №1, стр. 46-48.

(

Подписано к печати О6- Формат 60x84 1/16. Бум. писчая.

Печать офсетная Печ.л. 10 Тираж 80 экз. Заказ № Я

СПбГУНиПТ 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9. ИПЦ СПбГУНиПТ 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Типы систем удаления водяного пара и неконденсирующихся газов.

1.2. Обзор конструкций сублимационных конденсаторов водяного пара.

1.3. Способы регенерации охлаждаемых поверхностей десублиматоров.

1.4. Анализ работ, посвященных математическому моделированию процесса десублимации.

1.5. Выводы и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ДЕСУБЛИМАЦИИ

2.1. Постановка задачи. Физическая модель процесса десублимации.

2.2. Построение физико-математической модели процесса и алгоритма численного решения задачи.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Постановка задач эксперимента.

3.2. Описание экспериментального стенда.

3.3. Методика проведения опытов.

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

4.1. Режимы протекания десублимации.

4.2. Анализ влияния режимных параметров.

4.3. Особенности конструктивно-планировочных решений десублиматора разрабатываемого типа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

Актуальность работы.

В настоящее время потребность в ряде пищевых продуктов, прошедших сублимационную сушку, не снижается, несмотря на то, что современные технологии охлаждения позволяют пользоваться свежими продуктами практически весь год, а получение медико-биологических препаратов, биологически активных добавок и химических веществ с применением сублимационных методов обработки представляет всё больший интерес.

Хранение материалов, подвергнутых сублимационной обработке, не требует существенных затрат- правильно упакованные (с использованием вакуумных термоусадочных плёнок и т.п.) пищевые продукты можно содержать в условиях нерегулируемых температуры и влажности, при том, что такие качества продукта, как цвет, аромат, питательные свойства, содержание витаминов сохраняются практически полностью, как сохраняется первоначальная клеточная структура, определяющая, в том числе, общие объёмные характеристики. При оводнении продукт относительно легко и быстро поглощает влагу.

При наличии достаточно широкого ассортимента установок иностранного производства, развитие отечественного оборудования сублимационной сушки должно быть основано на реализации технических решений, повышающих эффективность как отдельных элементов, так и сублимационной установки в целом.

Неотъемлемой частью любой установки сублимационного обезвоживания, в значительной степени определяющей эффективность её работы, является система удаления образующейся в процессе сушки парогазовой смеси. В промышленных условиях для удаления конденсирующегося при данном давлении компонента смеси (водяной пар) используется процесс десублимации (т.е. конденсации пара в твердое состояние).

В связи с вышесказанным, интенсификация процессов массообмена, обеспечение надёжности работы и простоты эксплуатационного обслуживания десублиматора представляются актуальными задачами при создании отечественного сублимационного оборудования.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре теоретических основ тепло- и хладотехники Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме: «Исследование равновесных свойств и коэффициентов переноса жидких и газообразных природных холодильных агентов и хладоносителей» (г.р. № 01200119228) по заданию Федерального Агентства по образованию.

Цель работы и задачи исследования. Интенсификация тепломассообменных процессов эвакуации парогазовой смеси и разработка на их основе высокопроизводительного сублимационного конденсатора.

В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:

-установление • закономерностей и особенностей процесса десублимации пара на охлаждаемых поверхностях, обеспечивающих равный потенциал переноса пара, разработка соответствующей физико-математической модели;

-составление программы расчёта полей парциальных давлений водяного пара и толщин слоёв десублимата, определения времени эффективной работы охлаждаемой поверхности;

-экспериментальная проверка адекватности предложенной физико-математической модели;

-отыскание оптимальных параметров конструктивных элементов и режимных параметров сублимационного конденсатора;

-разработка инженерного метода расчёта десублиматоров, в которых реализуется концепция аппарата с различными температурами нескольких охлаждаемых элементов.

Объект исследования. Процесс вымораживания водяного пара в сублимационных конденсаторах при моделировании способов компоновки их охлаждаемых поверхностей.

Методика исследования. Разработка модели процесса десублимации в аппарате с различными температурами нескольких охлаждаемых поверхностей, проведенной с учётом результатов исследования эффективности алгоритмов расчёта десублиматоров применением математического моделирования на ЭВМ и экспериментального на лабораторной установке.

Научная новизна. Впервые получены и обобщены данные по десублимации водяного пара при наличии нескольких температур разноудалённых от сублиматора сложноориентированных охлаждаемых элементов.

Получены данные по условиям обеспечения постоянного потенциала переноса независимо от расстояния до охлаждаемого элемента и его ориентации в пространстве вакуумной камеры.

Экспериментально и теоретически обоснована конструкция десублиматора, в которой реализуется равномерность осаждения десублимата по всей охлаждаемой поверхности без позиционного регулирования холодильной машины.

Практическая ценность. Полученные на основании теоретических и экспериментальных исследований инженерные методики расчёта десублиматоров, реализованные в виде программ для ЭВМ, позволяющие, в том числе, компоновать десублиматор с учётом конфигурации энергопродуктового блока. Практические результаты исследования использованы ООО «БИОХИМТЕХ» при разработке сублимационного оборудования для отрасли прикладной биотехнологии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Юбилейной 54-й студенческой научно-технической конференции (СПб, 2001 г.); научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, докторантов, аспирантов и студентов по итогам НИР (СПб, 2001-2005 г.г.); 56-й научно-технической конференции Творчества молодых «Петербургские традиции хлебопечения, пивоварения и консервирования» (СПб, 2003 г.); второй международной научно-технической конференции, посвящённой 300-летию Санкт-Петербурга «Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке» (СПб, 2003 г.); научно-технической конференции с международным участием «Айс-сларри и однофазные хладоносители» (СПб, 2004 г.); второй международной научно-технической конференции, посвящённой 100-летию проф. Попова В.И. «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004 г.); научно-технической конференции «Холодильные масла и масло-фреоновые смеси» (СПб, 2005 г.); международной конференции «Сублимационная сушка в фармацевтике и пищевой промышленности» (Москва, 2005 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах, подана заявка на патент Российской Федерации (приоритет №2005110597/22(012390) от 10.04.05).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 123 страницы основного машинописного текста, 27 страниц приложений, 48 иллюстраций и 3 таблицы. Список использованной литературы включает в себя 128 наименований работ, из них 121 отечественных и 7 зарубежных авторов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ современных теоретических разработок и путей совершенствования на их основе технологического оборудования для сублимационной сушки показывает перспективность применения предложенной схемы хладоснабжения десублиматора, обеспечивающей различные температуры разноудалённых от сублиматора секций его охлаждаемых элементов. При этом условие осуществления наиболее быстрого сброса льда диктует плоскую их форму.

2. Разработаны физико-математическая модель и алгоритм расчёта процесса десублимации водяного пара в сублимационном конденсаторе с различными температурами отдельных секций и расстояниями между парными охлаждаемыми элементами, образующими канал течения парогазовой смеси.

3. Создана программа расчёта на ЭВМ полей парциальных давлений водяного пара, местоположения фронта фазового перехода, расчёта времени работы охлаждаемой поверхности. Сопоставление опытных и расчётных данных подтверждает адекватность принятой физико-математической модели реальным условиям сушки.

4. Проведена классификация характерных режимов десублимации пара, различающихся индивидуальной динамикой продвижения фронта десублимации. Выделены три режима: перекрытия, поршневой, фронтального осаждения.

5. Установлены теоретически и подтверждены экспериментально с достаточной для инженерных расчётов точностью (9 %) зависимости удельной объёмной льдоёмкости десублиматора Gv (с использованием которой проводилась оценка эффективности работы аппарата) от величины удельной тепловой нагрузки на его охлаждаемых поверхностях, геометрических и температурных параметров, позволившие выработать рекомендации по выбору рациональных параметров работы десублиматора.

6. Результаты математического и экспериментального моделирования десублиматора в условиях рассмотренной постановки задачи позволяют говорить о возможности увеличения объёмной льдоёмкости десублиматора в 2ч-2,5 раза.

7. Показано, что увеличение перепада температур разноудалённых от сублиматора охлаждаемых поверхностей приводит к росту массы намерзающего льда G и объёмной льдоёмкости Gv, однако эффективно только до определённого предела (в среднем 12 °С при W=1750 Вт/м2 и 20 °С ■j при W=1750 Вт/м ), более которого рост Gv незначителен.

8. Льдоёмкость десублиматора G при росте расстояния между парными охлаждаемыми поверхностями sdec монотонно увеличивается, однако графики зависимости Gv от sdec имеют максимумы, объясняемые тем, что при росте sdec более соответствующего указанным максимумам объём десублиматора превалирует над ростом G. Указанные максимумы Gv являются пределом эффективности при данных условиях.

9. Корректировка объёмной льдоёмкости десублиматора может осуществляться увеличением угла между охлаждаемыми поверхностями а, образующими сужающийся в направлении течения пара канал. При этом, хотя рост а и приводит к повышению льдоёмкости десублиматора, нецелесообразно увеличивать его более 5ч-8 и 7ч-11 градусов при, соответственно, W= 1750 и 500 Вт/м по причине уменьшения объёмной льдоёмкости.

10. Предложены схемы конструкций, методика инженерного расчёта промышленных десублиматоров встроенного и выносного типов.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке ООО «БИОХИМТЕХ» и НПО «Молния» образцов промышленных десублиматоров сублимационных установок, предназначенных использования в отраслях прикладной биотехнологии.