CC BY
28
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ В ПИЩЕВОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ Пасюк А.С. Email: Pasyuk638@scientifictext.ru
Пасюк Андрей Сергеевич — магистрант, отдел магистратуры, кафедра техники и технологии пищевых производств, Донской государственный технический университет, г. Ростов—на—Дону
Аннотация: в статье приводятся результаты теоретического исследования нового вида нагревателя жидкости - гидродинамического. В настоящее время гидродинамические нагреватели не нашли еще широкого применения. Это связано с малой изученностью данного типа оборудования и недостаточной информационной освещенностью. Основное отличие ГДНЖ от большинства нагревателей - позволяет существенно упростить конструкцию и повысить КПД процесса нагрева. Главным принципом его работы является непосредственное преобразование механической энергии в тепловую. Вследствие этого коэффициент полезного действия нагревателя составляет 80%.
Ключевые слова: нагреватель жидкости, гидравлика, коэффициент полезного действия.
HYDRODYNAMIC LIQUID HEATER IN THE FOOD INDUSTRY
Pasyuk A.S.
Pasyuk Andrey Sergeevich - Master Student, DEPARTMENT OF MAGISTRACY, DEPARTMENT TECHNOLOGY AND TECHNOLOGY OF FOOD PRODUCTION, DON STATE TECHNICAL UNIVERSITY, ROSTOV-ON-DON
Abstract: the article presents the results of a theoretical study of a new type of fluid heater -hydrodynamic. At present, hydrodynamic heaters have not yet found wide application. This is due to the poor knowledge of this type of equipment and insufficient information illumination. The main difference between HDPE and most heaters is that it makes it possible to simplify the design considerably and increase the efficiency of the heating process. The main principle of his work is the direct conversion of mechanical energy into thermal energy. As a result, the efficiency of the heater is 80%. Keywords: liquid heater, hydraulics, efficiency.
УДК 66.10167
В применяемых в настоящее время в технике нагревателях жидкости передача тепла осуществляется либо от нагретого тела, либо от потока газа или жидкости. По сути, используется двойной процесс - преобразование первичной энергии (электрической, механической, химической) в тепловую и ее передача нагреваемому объекту. Такая схема нагрева обладает рядом существенных недостатков: сравнительно низкий КПД процесса нагрева; высокая металлоемкость; большие габариты; пожаро-, взрыво- и электроопасность; сложность конструкции; необходимость использования дополнительного оборудования и сложной автоматики; потребность в высококвалифицированном обслуживающем персонале; необходимость в периодическом обслуживании вследствие образования нагара и накипи на греющих поверхностях, ухудшающих рабочие характеристики и снижающих КПД нагревателя в процессе эксплуатации; необходимость в постоянном контроле со стороны котлонадзора; загрязнение окружающей среды; высокая себестоимость оборудования и большие эксплуатационные расходы.
Анализ водонагревательных установок, применяемых в настоящее время в пищевой промышленности, показал, что решение вышеперечисленных проблем в рамках применяемых способов нагрева затруднительно, так как улучшение одних показателей непременно ведет к существенному ухудшению других.
Решение этих проблем возможно при уменьшении упомянутой выше цепочки. Наиболее перспективным, по нашему мнению, является непосредственное преобразование механической энергии в тепловую.
Реализацией такого принципа является разработанный в ДГТУ гидродинамический нагреватель воды (рис. 1).
Нагреватель состоит из ротора 2, имеющего лопасти, и статора 3, имеющего ответные лопасти. Ротор вращается с высокой частотой. Вода подается по оси ротора по каналу 1, далее под действием центробежных сил движется в рабочую полость, где и происходит ее нагрев. Отводится вода через выходное отверстие 4. Нагрев воды в рабочей полости происходит за счет трения и интенсивной турбулизации при ее движении [1].
Рис. 1. Конструкция гидродинамического нагревателя жидкости: 1 — ротор; 2 — статор; 3 — боковые крышки; 4 — отверстие для подачи жидкости; 5 — отверстие для отвода нагретой жидкости; 6 — вал
Первичные испытания показали работоспособность предложенной конструкции. Задача исследования заключалась в построении математической модели и определении рациональных режимов работы нагревателя.
Исследовался только установившийся режим работы нагревателя.
В основу построения математической модели функционирования нагревателя положено уравнение баланса мощности:
ЫА„ + N N =-ж-L, (1)
^ мех
где М, - тепловыделение, кВт; Ман - мощность, затрачиваемая на сообщение жидкости избыточного напора АН; Т]мех - механический КПД установки, учитывающий потери мощности в приводе.
Математическая модель нагревателя выражает зависимость интенсивности нагрева жидкости (разности температур жидкости между выходом и входом в нагреватель) и тепловыделения (количества теплоты, выделяемое в единицу времени) от различных факторов.
Перепад температур жидкости можно определить из выражения:
N
А, = Nннар, (2) №ср
где Nнагр - мощность, затрачиваемая на нагрев жидкости; р - плотность жидкости; д -производительность нагревателя; ср - изобарная теплоемкость жидкости.
Мощность ^агр можно определить как
N = N - N (3)
1У нагр. 1У г пот, (3)
где N1 - количество тепла, выделяемое в единицу времени (тепловыделение); Nпот - потери тепла вследствие теплообмена с окружающей средой.
Перепад температур между жидкостью и окружающей средой при проведении экспериментов составлял не более 56 0С. Теплообмен между поверхностью нагревателя и внешней средой происходит, в основном, за счет естественной конвекции. В связи с этим Nпот незначительно, следовательно, можно принять, что NнaгрлNt.
Тепловыделение Ы, зависит от потерь напора (гидравлические потери) и диссипации энергии от трения жидкости в боковом зазоре между ротором и корпусом нагревателя:
N = ПОКтт + рСс/ (& - & ), (4)
где р - плотность жидкости; Т,кпот - суммарные гидравлические потери; Q - расход жидкости в рабочей полости; с - угловая скорость ротора; Я1, К2 - радиусы кольца трения; су -коэффициенты сопротивления бокового зазора. Суммарные гидравлические потери:
""" 2gF2p 2gFC ггг^
■ + -
2 g
(
и -
О
Л
2
F,
+ (и2 -Мр)2
р1;
(5)
где и1 и и2 - линейная (окружная) скорость ротора на радиусе К и соответственно; Fр, Fc, F„.к. - площади живого сечения лопастного канала ротора, статора и подающего канала соответственно в плоскости, перпендикулярной линии тока; Fр1 - площадь живого сечения канала лопасти на входе в ротор; мр - коэффициент отклонения потока вследствие неравномерности тока; О - расход воды в рабочей полости; Опр - производительность нагревателя; кр, кс - коэффициенты сопротивления лопастных каналов ротора и статора соответственно; кк - коэффициент сопротивления подающего канала; фуд - коэффициент потерь напора на вихреобразование при ударном входе потока в статор и в ротор.
Таким образом, окончательно для тепловыделения можно записать следующую формулу:
N = Р2
2 Р2 2 К2
ккв
2 К:
(
и -
К
у
р1
~(и2 ' Мр2 )2
(я; - я;)
(6)
Из формулы (6) видно, что тепловыделение пропорционально третьей степени расхода жидкости в лопастной системе и угловой скорости и пятой степени диаметра ротора.
Первое слагаемое в формуле (6) характеризует диссипацию энергии за счет гидравлических потерь (трение в лопастном канале и удар), и оно в большой степени зависит от величины расхода. Второе слагаемое уравнения (6) отражает диссипацию энергии за счет трения жидкости о боковые стенки нагревателя.
Как видно, основными факторами, влияющими на тепловыделение, являются: угловая скорость с ротора, его диаметр Д плотность жидкости р, ее расход в рабочей полости О, величина коэффициентов сопротивления трения (кр, кс, с) и вихреобразование при ударном входе <руд. Из теории гидродинамических машин известно, что коэффициенты сопротивления трения канала зависят от его геометрии и режима течения жидкости в нем (числа Яе).
Расход жидкости в рабочей полости зависит от окружной скорости ротора и его геометрии. Поэтому на практике значительное увеличение тепловыделения возможно осуществить за счет увеличения угловой скорости ротора или его диаметра.
Температуру жидкости тогда, учитывая выражение (6), можно определить из выражения:
1
с О
рХпр
О
кР О2 , кс О2 Л ОПр ,Ф
- +
+-
2 Е2 2 Г 2 Е
+ -
2
(
и -:
Е
2
р1
+ (и2 ' Мр2)2
з
+ СС,
& - )
(7)
Из формулы (7) видно, что степень нагрева жидкости (перепад температур) не зависит от ее плотности, а определяется, в первую очередь, кинематическими и геометрическими параметрами нагревателя. Из свойств жидкости на интенсивность нагрева оказывает влияние удельная теплоемкость жидкости и ее динамическая вязкость, посредством влияния на коэффициенты сопротивления.
В формуле (7) не известны следующие величины:
- расход жидкости О;
- коэффициенты сопротивления каналов ротора кр и статора кс;
- коэффициент сопротивления зазора су;
- коэффициент потерь напора на вихреобразование при ударном входе потока в статор и в ротор фуд;
- коэффициент отклонения потока вследствие неравномерности тока мр.
Для их определения проводятся эксперименты.
уд
Список литературы / References
1. Проценко Г.И., Хозяев И.А., Пройдак Н.И., Кирищиев О.Р. А.с. SU №1738717 A1, 1992. Опубл. Б.И. № 21. Устройство для нагрева жидкости.
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ И ПАРАЗИТОЛОГИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДЫ, ПРОШЕДШЕЙ ЧЕРЕЗ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЙ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Пасюк А.С. Email: Pasyuk638@scientifictext.ru
Пасюк Андрей Сергеевич — магистрант, отдел магистратуры, кафедра техники и технологии пищевых производств, Донской государственный технический университет, г. Ростов—на—Дону
Аннотация: рассмотрены проблемы очистки воды и разработки ресурсосберегающих технологий. Рассмотрены особенности влияния микробиологических показателей на качество воды. Приведен анализ существующих способов подготовки и очистки воды, прошедшей через гидродинамический нагреватель. В настоящее время, гидродинамические нагреватели не нашли еще широкого применения. Это связано с малой изученностью данного типа оборудования и недостаточной информационной освещенностью. Предложен ресурсосберегающий способ обработки воды с целью уменьшения сроков очистки воды и снижения энергозатрат при очистке.
Ключевые слова: вода, нагреватель, кавитация, тепловой КПД.
MICROBIOLOGICAL AND PARASITOLOGICAL STUDIES OF WATER PASSING THROUGH THE HYDRODYNAMIC LIQUID HEATER USED
IN THE FOOD INDUSTRY Pasyuk A.S.
Pasyuk Andrey Sergeevich - Master Student, DEPARTMENT OF MAGISTRACY, DEPARTMENT TECHNOLOGY AND TECHNOLOGY OF FOOD PRODUCTION, DON STATE TECHNICAL UNIVERSITY, ROSTOV-ON-DON
Abstract: the problems of water treatment and development of resource-saving technologies are considered. The peculiarities of the influence of microbiological indicators on water quality are considered. The analysis of existing methods ofpreparation and purification of water passed through the hydrodynamic heater is given. At present, hydrodynamic heaters have not yet found wide application. This is due to the poor knowledge of this type of equipment and insufficient information illumination. A resource-saving way of water treatment is proposed with the purpose of reducing the time of water purification and reducing energy consumption during purification. Keywords: water, heater, cavitation, thermal efficiency.
УКД 66.10167
Вода - один из важнейших факторов, влияющих на здоровье и продуктивность сельскохозяйственных животных. Она является одним из основных материалов клеток живого организма и участвует во многих биологических процессах, протекающих в организме животных.
В настоящее время для нагрева воды в пищевой промышленности, в основном, используются всевозможные котлы, теплообменники и электроводонагреватели. В большинстве своем - это аппараты косвенного нагрева. В них нагрев воды и других жидкостей происходит через промежуточный теплоноситель: нагретое тело, горячие газы, пар и пр. Такой способ нагрева имеет некоторые недостатки, основными из которых являются пониженный КПД процесса нагрева, высокая металлоемкость, образование накипи на греющей поверхности, сложность конструкции, потребность в дополнительном оборудовании (насосы, вытяжные
