Экспериментальное исследование размеров гранул твердой двуокиси углерода при дросселировании жидкости для процессов струйного криоконцентрирования Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЕРОВ ГРАНУЛ ТВЕРДОЙ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА ПРИ ДРОССЕЛИРОВАНИИ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ СТРУЙНОГО КРИОКОНЦЕНТРИРОВАНИЯ

Гордиенко Ю.В., Лугинин М.И.

Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар

Концентрирование жидких пищевых продуктов в нашей стране и за рубежом осуществляют следующими способами: выпаривание, баромембранная технология, вакуумного замораживания, сублимации, криоконцентрирование.

Криоконцентрирование жидких пищевых продуктов вымораживанием обеспечивает наиболее полное сохранение исходных свойств продуктов (витаминов, минеральных веществ), в том числе ароматосодержащих и термолабильных жидкостей. В консервной промышленности данный способ используют при получении концентрированных соков высокого качества. В винодельческой промышленности концентрирование вымораживанием используют для приготовления высоко качественных марочных вин, наряду с этим с помощью криоконцентрирования можно повысить содержание алкоголя в вине с улучшением его вкусовых качеств.

Основным теплообменным аппаратом при концентрировании в традиционной схеме является испаритель с поверхностью теплообмена. Нами предлагается использовать в качестве основного теплообменного устройства струйный эжекционный аппарат. Расчет основных геометрических характеристик струйного аппарата производим согласно методике рачета струйного аппарата для пневмотранспорта /5/.

При разработке математической модели процесса криоконцентрирования в струйном эжекционном аппарате рассмотрена система уравнений /3,4/ (движения частицы, теплообмена, сохранения энергии, сохранения количества движения, состояния газа, сохранения массы), решение которой позволит получить аналитические расчетные зависимости, на основе которых могут быть получены конкретные численные приложения.

1. Уравнение движения частиц гранул рабочего вещества

d(°r =<РъЪ-а>г^ (1)

йх

где со - скорость газа, м/с; сог - скорость частиц гранул, м/с;

(рХг - коэффициент, равный <рХг -

- функция сопротивления, равная /в ■

_ —0)г _ числ0 Рейнольдса,

св - коэффициент сопротивления сферы. 2. Уравнение движения капель продукта с! со,

о J L) 2 '

2 г рг

cD Re

24

п

= <Ръ,Ъ-<оп^ (2)

йх

где со - скорость газа, м/с; соп - скорость капель продукта, м/с;

ср1п - коэффициент, равный <pln = — fD 'J ,

2 г рп

fD - функция сопротивления, равная fD = °D ^ _ Р^Ц—0)г ~^>гп _ числ0 Рейнольдса,

V

св - коэффициент сопротивления сферы.

3. Уравнение теплообмена частиц рабочего вещества (углекислоты)

¿К + т -

ах

где Иг = сгТг +г/г - энтальпия частицы рабочего вещества, Дж/кг; N

<Р2г

NUr<f\rCp , ,

- коэффициент;

ЗРг fD

Nur -2 + 0,45 9Re°'55 Pr0'33 - критерий Нуссельта;

С JU

Pr = —---критерий Прандтля;

Re„ -

Л

_ io-ay^r v

- критерий Рейнольдса

Гр - теплота сублимации (кипения), Дж/кг.

4. Уравнение теплообмена частиц продукта

dhn ^ -

С= (Pint ~Тп^ ах

где hn = спТп + rfn - энтальпия частицы продукта, Дж/кг; N

(Pin ~

Nun(plnc -- коэффициент;

ЗРг/л

Шп = 2 + 0,459Яе°'55 Рг0,33 - критерий Нуссельта;

^ (р — сод „ ^ „

Яеп =-- критерии Рейнольдса

г/п - теплота кристаллизации продукта, Дж/кг.

5. Уравнение сохранения количества движения ро>с/о) + ргсогйсог + рпсопйсоп + с!р = 0

6. Уравнение сохранения энергии

E = G

г 2 ^^ со

с-Т + — 2

v J

-<Я

,2 N

СО,

+ G„

,2 N

С .Т +Г -I--П-

Un 1 n^'fn ^ 0

= const,

7. Уравнение сохранения массы G + Gr+Gn =Gcm = const

8. Уравнения Клапейрона для газа

ИТ

р = pRT = G— , 0)1 \

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

7- 2

где F - площадь сечения камеры смешения, м .

9. Начальный диаметр гранул рабочего вещества ёг определяется экспериментально в зависимости от вида вещества и давления жидкости рабочего вещества перед дросселированием.

10. Начальный радиус капель продукта гп определяется по критическому значению критерия Вебера /6/

р? • г„ ■ со2

= -- 5,35, (9)

где - плотность газовой фазы рабочего вещества после дросселирования, кг/м ; сг - коэффициент поверхностного натяжения жидкого продукта, Н/м.

Таким образом, дифференциальные уравнения 1-4, а также конечные соотношения 5-9 с соответствующими начальными условиями определяют термодинамические параметры процесса теплообмена в любом сечении камеры смешения.

На сегодняшний день нет теории, позволяющей определить размер гранул твердой углекислоты, получающихся в процессе дросселирования жидкости, а это необходимо для задания начальных условий математической модели.

Начальный диаметр гранул рабочего вещества ёг предлагается определять экспериментально в зависимости от вида вещества и давления жидкости рабочего вещества. Для этого на кафедре холодильных и компрессорных машин и установок Кубанского государственного технологического университета был разработан и изготовлен экспериментальный стенд по определению размеров гранул твердой двуокиси углерода, оснащенный необходимыми контрольно - измерительными приборами и регулирующей арматурой (рисунок 1).

Установка содержит: 1- запорный вентиль ХА, 2 - баллон с жидкой двуокисью углерода, 3 - уравнительный клапан, 4 - изолированная камера, 5 - сопло, 6 - сетка полипропиленовая, 7 - фильтр, 8 - фотоаппарат цифровой, 9 - стеклянная перегородка, 10 - металлическая линейка,11 - изолированная крышка.

Экспериментальная установка предназначена для определения экспериментальным путем размеров частиц твердой двуокиси углерода. С целью получения достоверных данных установка предусматривает возможность работы при переменных диаметрах проходной части сопла 0,2; 0,3; 0,4 мм, соответствующих диаметрам проходной части сопла при минимальном, среднем и максимальном расходе в экспериментальной установке струйного криоконцентратора.

Перед проведении экспериментов сетка полипропиленовая 6, поднималась к крышке 11, жидкий холодильный агент из баллона 2 открытием вентиля 1, через фильтр 7 и сопло 5 подавали в изолированную камеру 4 пока в камере не устанавливалась температура порядка -30 С. Затем прекращали подачу двуокиси углерода закрывая вентиль 1, опускали сетку полипропиленовую 6 с закрепленной металлической линейкой 10, открывали вентиль 1 наблюдали через стеклянную перегородку 9 намораживание на сетке и металлической поверхности линейки частиц твердой двуокиси углерода.

Для контроля температуры в изолированной камере экспериментальной установки были применены малоинерционные преобразователи температуры типа ТПЬ (ХК) хромель-капель, подобранные при проектировании стенда из каталога /2/. В качестве вторичного прибора к термоэлектрическим преобразователям применялся цифровой измеритель двухканальный ОВЕН 2ТРМ0-Д.(ТП,АТ) технические характеристики которого согласно каталога /2/ соответствуют условиям эксперимента.

Рисунок 1- Принципиальная схема экспериментального стенда по определению размеров твердой двуокиси углерода

Исследования производились следующим образом: открывая вентиль баллона с жидкой двуокисью углерода в смотровое окно визуально наблюдали некоторое намораживание частиц твердой двуокиси углерода, затем производили микросъемку на фотоаппарат, закрывали вентиль. Методом сравнения полеченных кристаллов СО2 с металлической линейкой получили размер кристаллов. Расстояние между сеткой и соплом 50 мм, между сеткой и стеклом 100 мм. Обработка и анализ экспериментальных данных по определению размеров твердой двуокиси углерода. Экспериментальные данные по размерам кристаллов показаны на рисунке 2 в виде зависимости распределения количества кристаллов от диаметра а)- диаметр сопла 0,2 мм, б)- диаметр сопла 0,3 мм, в)- диаметр сопла 0,4 мм.

75 100 125 150 размер кристаллов, мкм

175 200 225

35

25

& 20

5

а

ж

г 15

6

о

^ 10

с;

о

" 5

25 50 75 100 125 150 размер кристаллов, мкм

175 200 225

а)

б)

35

30

30

25

20

15

10

5

0

0

0

0

25

50

в)

Рисунок 2 - Распределение количества кристаллов твердой двуокиси углерода по диаметрам

Как видно из графиков, основную массу 60 % составляли кристаллы диаметром 85мкм, кристаллы имеющие размер 150 - 175 мкм составляли 16,5 %, предположительно это слипшиеся кристаллы меньших размеров, кристаллы с размером 125 мкм и 50 мкм составляли 12 % и 10 % соответственно. Оставшееся число кристаллов 1,5% это или слишком большие или очень маленькие кристаллы. Слишком большие кристаллы это слипшиеся несколько кристаллов меньших размеров/1/.

Библиографический список:

1. Данилов М.М. Особенности получения твердого диоксида углерода в низкотемпературных турбодетандерах: Дис. ... канд. Техн. Наук: 05.04.03, 01.04.14 / Санкт-Петербург, 2003. - 143 с.

2. Компоненты автоматизации ОВЕН. Простейший подход к современным решениям. Каталог 2007, 224с.

3. Соу С. Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971. - 526 с.

4. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. - М.: Машиностроение, 1974. - 212 с.

5. Соколов ЕЯ. Зингер Н.М. Струйные аппараты. - М.: Энергия, 1970. - 288 с.

6. Дитякин Ю.Ф., Клячко Л.А, Новиков Б.В, Ягодкин В.И. Распыление жидкостей - М.: Машиностроение, 1977. - 208с.