CC BY
42
УДК 66.974.434
АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВЫПАРНОГО АППАРАТА
Э.В. Боровкова, Е.В. Пантюхина
Рассматриваются основные показатели эффективности выпарного аппарата, такие, какинтенсивность передачи тепла от теплоносителя к продукту через стенки аппарата, равномерность прогрева продукта и снижение потерь теплоты в окружающую среду, а также предлагаются и обосновываются пути их повышения.
Ключевые слова: выпаривание, выпарной аппарат, теплопередача, концентрирование.
Выпаривание представляет собой процесс концентрирования растворов при кипении. Основным назначением выпаривания является получение концентратов при сохранении физико-химических свойств их компонентов. Данный процесс широко применяют в металлургической, химической и медицинской промышленности, но более распространенное применение он нашел в пищевой промышленности в производстве концентрированных фруктовых соков, джемов и мармелада, молока, сахара, бульонов и соусов и целого ряда других продуктов.
Процесс выпаривания осуществляется в различных конструкциях выпарных аппаратов [1, 2]. Анализ существующих конструкций выпарных аппаратов позволил выявить их достоинства и недостатки [3, 4] и предложить возможные пути их модернизации [5].
Эффективность работы выпарного аппарата характеризуется, во-первых, интенсивностью передачи тепла от теплоносителя к продукту через стенки труб греющей камеры аппарата, во-вторых, равномерностью прогрева продукта в трубах и, в-третьих, снижением потерь теплоты в окружающую среду.
Для обеспечения интенсивной передачи тепла от теплоносителя к продукту через стенки труб греющей камеры аппарата было проанализировано взаимосвязанное влияние основных параметров выпарного аппарата и загружаемых продуктов на поверхностьтеплопередачи:
^тр =-^-, (1)
1 , 5 ст , 5 н , 1 п
а1 1 ст 1 н а 2
где- полезная разность температур; Q - тепловая нагрузка на выпарной аппарат; а1, а 2 - коэффициенты теплоотдачи горячего и холодного теплоносителей; 5ст - толщина стенки; 1ст - коэффициент теплопроводности металла; 5н - толщина теплоизоляции; 1 н - коэффициент теплопроводности теплоизоляции.
Было выявлено, что с увеличением расхода продукта от 2 до 10 кг/с площадь поверхности теплопередачи увеличивается (при начальной концентрации 25% - с 20 до 85...105 м , а при начальной концентрации 35 % -с 10...15 до 55...90 м2) [6].
Для обеспечения равномерности прогрева продукта необходимо создать турбулентный поток пара по межтрубному пространству греющей камеры выпарного аппарата.Поэтому в греющей камере выпарного аппарата, представляющей собой кожухотрубчатый теплообменник, предлагается на одинаковом расстоянии друг от друга установить перегородки [5]. Они позволят за счет увеличения гидравлического сопротивления межтрубного пространства греющей камеры выпарного аппарата создать турбулентный поток пара.
Анализируя информационные источники, конструкции теплооб-менных аппаратов, значения высот греющей камеры и расстояний между перегородками, получаем, что оптимальное количество перегородок выбирается в диапазоне К= 31- 9.
а
б
в
Возможные варианты конструкции модернизированного теплообменника с 3 (а), 6 (б), 19 (в) перегородками
Определим, чему равно гидравлическое сопротивление межтрубного пространства греющей камеры выпарного аппарата при отсутствии перегородок и при их количестве 3, 6 и 18 штук.
510
Общее гидравлическое сопротивление межтрубного пространства греющей камеры определяется уравнением (2)при отсутствии перегородок и уравнением (3) при их наличии
Dp = Api +Dp2, (2)
Dp = Dpi + КАрмт +(K - 1}Ароп + Dp2, (3)
где Api - потеря давления при входе потока в межтрубное пространство; Ap2-потеря давления при выходе потока из межтрубного пространства; Apmt - потеря давления на трение в одном ходе межтрубного пространства, ограниченного стенками кожуха и соседними перегородками; ApOT -потеря давления при огибании потоком перегородки.
Количество перегородок определяется по выражению
K = - -1, (4)
l
где L - длина труб греющей камеры выпарного аппарата; l - расстояние между перегородками.
Анализ выражений (2) - (4) показал, что гидравлическое сопротивление межтрубного пространства греющей камеры выпарного аппарата с перегородками по сравнению с выпарным аппаратом без перегородок увеличивается при наличии 3 перегородок в 2,5 раза, 6 перегородок- в 4 раза и 19 перегородок - в 18 раз и составляет без перегородок Ap = 5131 Па;с 3 перегородками Ap = 13290 Па;с 6 перегородками Ap = 26170 Па;с 19 перегородками Ap = 81950 Па.
С целью снижения потерь теплоты в окружающую среду необходимо использовать теплоизоляцию, в качестве которой могут быть использованы стеклянная вата, асбестит, асбест, совелит, войлок, асбослюдовая масса и другие материалы.
Удельные потери теплоты с 1 м2 поверхности теплообменника греющей камеры выпарного аппарата определяют по выражению
q =_(tв - ^)_, (5)
1 8 ст 8 н 1 — + + — + —
a1 1 ст 1 н a 2
где ^ - температура внутри теплообменного аппарата; tM - температура окружающего воздуха (среды).
В работе [7] был проведен анализ влияния материала стенки двухслойного теплообменника, один из слоев которого изоляционный, на удельные потери теплоты с 1 м его поверхности. В качестве материалов стенки были взяты сталь, латунь и медь; толщина стенки аппарата 8 = 10 мм. В качестве изоляционного слоя изучалисьфольгопласт, полиэтилен и вакуум. Анализ показал, что удельные потери теплоты с 1 м поверхности теплообменника принимают гораздо меньшие значения для вакуума по сравнению с полиэтиленом и фольгопластом.
Одним из современных направлений для эффективной и перспективной термоизоляции является использование теплоизоляции из гликоля, К-Пвхи вакуум-панелей, представляющих собой обтянутые фольгой пла-стиныс вакуумным пространством внутри.
Анализ выражения (5) показал, что удельные потери теплоты с 1 м поверхности выпарного аппарата с теплоизоляцией по сравнению с выпарным аппаратом без теплоизоляции уменьшаются при использовании гли-коляв 1,1 раза, К-Пвх- в 2,5 раза, вакуум-панелей- в 3,2 раза и составляют _ , _._кВт
без теплоизоляции q = 1,545——, при использовании гликоля
м 2
кВт кВт
q = 1,418——, при использовании K-Ыexq = 0,620—— и при использова-м2 м2
кВт
нии гликоля q = 0,477-.
2
м
Таким образом, перспективными направлениями повышения эффективности работы выпарных аппаратов является выбор оптимальных параметров конструкции и самого процесса выпаривания, при которых площадь поверхности теплопередачи будет максимальна; наличие в конструкции выпарного аппарата максимального количества перегородок с целью равномерного прогрева продукта путем создания турбулентности потока пара по межтрубному пространству греющей камеры; использование вакуум-панелей, обеспечивающих минимальные потери тепла в окружающую среду.
Полученные результаты необходимо учитывать при проектировании выпарных аппаратов и выборе их основных параметров для достижения наибольшей эффективности процесса выпаривания различных продуктов в пищевой промышленности.
Список литературы
1. Боровкова Э.В., Пантюхина Е.В. Анализ различных методов процесса выпаривания и конструкций выпарных аппаратов // Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: материалы междунар. научно-техн. конф. «АПИР-22»/ под ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. С. 21-27.
2. Боровкова Э.В., Клименова Н.А. Анализ процесса выпаривания // Инновационные подходы в современной науке: материалы международной (заочной) научно-практической конференции / под общ.ред. А.И. Вострецова. г. Нефтекамск, Республика Башкортостан. 2017. С. 54-58.
3.Боровкова Э.В. Анализ недостатков выпарных аппаратов // Современная наука: вопросы теории и практики: материалы международной (заочной) научно-практической конференции / под общ.ред. А.И. Востре-цова. г. Нефтекамск, Республика Башкортостан.2018. С. 8-12.
4. Боровкова Э.В., Давыдов И.Б., Пантюхина Е.В. Анализ недостатков и путей модернизации выпарных аппаратов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 2. С. 331 -337.
5.Боровкова Э.В., Клименова Н.А., Пантюхина Е.В. Пути модернизации кожухотрубчатоготеплообменика// Вестник ТулГУ. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: материалы междунар. научно-техн. конф. «АПИР-22» под ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. С. 38-42.
6.Боровкова Э.В., Пантюхина Е.В., Пантюхин О.В. Анализ влияния параметров продукта на поверхность теплопередачи выпарного аппарата// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 2. Ч.2. С. 346-350.
7.Клименова Н.А., Пантюхина Е.В.,Пантюхин О.В. Анализ тепловых процессов нагревания и теплопередачи через плоскую стенку тепло-обменных аппаратов с изоляцией// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 9. Ч. 1. С. 296-303.
Боровкова Элеонора Владимировна, бакалавр, eleonora.borovkova@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пантюхина Елена Викторовна, канд. техн. наук, доцент, elen-davidova@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF KEY PERFORMANCE INDICATORS WORK EVAPORATOR E. V. Borovkova, E.V. Pantyukhina
The main performance indicators of the evaporator, such as the intensity of heat transfer from the heat carrier to the product through the walls of the apparatus, the uniformity of the product heating and reducing heat losses to the environment, as well as the ways to improve them are proposed and justified.
Key words: evaporation, evaporating apparatus, heat transfer, concentration.
Borovkova Eleonora Vladimirovna, bachelors, eleonora.borovkova@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University.
Pantyukhina Elena Viktorovnа, candidate of technical sciences, docent, elen-davidova@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
