CC BY
12
TEXHO^OriHHE 3AEE3nEHEHHfl BHPOEHH^BA, nEPEPOEKA nPO^YKTIB TBAPHННHЦTBA TA ÏX 3EEPirAHHfl
TECHNOLOGICAL ENSURING OF PRODUCTION, PROCESSING OF PRODUCTS OF ANIMAL ORIGIN AND THEIR PRESERVATION
УДК 664.002.5(075)
Бшонога Ю.Л., д.т.н., професор, Максисько О.Р., асистент © Лье1еський нацюнальний утеерситет еетеринарног медицины та бютехнологш 1м. С.З.Гжицького
1НТЕНСИФ1КАЦ1Я ТЕПЛО ОБМ1НУ ПРИ ДОДАВАНН1 АН1ОННИХ ПОВЕРХНЕВО АКТИВНИХ РЕЧОВИН (ПАР) ДО ВОДИ
Розрахоеано коефщенти теплопередач1 нормал1зоеаного кожухотрубного теплообмтника при еикористанш атонних ПАР (еода + 0,505 мас.% натрш лаурилсульфату, еода + 0,712мас.% натрш алкансульфонату). Показано, що при еикористант ПАР коефщ1ент теплопередач1 збыьшиеся на 17,8% та 21,01% егдпоегдно.
Ключовi слова: приграничний ламтарний (Л) шар, середня тоещина приграничного ламтарного шару, кожухотрубний теплообмтник, поеерхнеео-актиеш речоеини (ПАР), коефщент теплопередач1, ¡нтенсифжащя.
Вступ. Для сучасного переробного тдприемства головним завданням е проведення технолопчного процесу з максимальною продуктившстю, мммальними трудовими та енергетичними затратами. Особливо актуальними е питання енергозбереження в основних технолопчних процесах, де великий вщсоток технолопчного часу припадае на процеси теплообмiну. Ц процеси проходять у теплообмшнш апаратурi на межi середовище-стшка теплообмшника, де концентруеться до 98 % термiчного опору [1]. Для ефективно1 роботи теплообмшно1 апаратури необхщно, щоб коефщент теплопередачi К був максимальний, а рух рщини у нш здшснювався в турбулентному режиму при якому передача тепла проходить штенсившше, шж при ламiнарному i перехiдному [2]. Однак в турбулентних потоках руху рiдкофазних теплоносiïв на межi потiк-стiнка трубопроводу окрiм
© Бшонога Ю.Л., Максисько О.Р., 2009
3
турбулентного ядра виникае ще ламшарний Л приповерхневий шар. Середня товщина цього шару може бути розрахована за формулою [3]:
5 = _30^ , (1)
ЯеТХ
де d - дiаметр живого перерiзу рiдини, м;
X - коефщент Дарсi, X = 0'3 ;
Яе0'25
Яе - критерiй Рейнольдса.
Однак, формула (1) не враховуе коефщент поверхневого натягу рщини та кут змочування поверхш.
На основi науково! концепци [4], яка полягае в розглядi руху рщин в трубопроводах чи апаратах з врахуванням ди сил поверхневого натягу на межi контакту тверде тшо-рщина, була виведена формула для розрахунку середньо! товщини приграничного Л шару [5]:
d2
ReM^
2ycos^
я-"-' Л| (2)
Кт
де у -коефiцieнт поверхневого натягу на межi тверде тiло-рiдина, Н/м; соsи- гiдрофiльнiсть поверхнi стiнки; с -густина рiдини, кг/м3 ; d-
дiаметр живого перерiзy потоку, м; л-коефщент Дарсi;; l -довжина
трубопроводу, м; м- коефщент динамiчноl в'язкостi рщини, Па с; КТ-
коефiцieнт тyрбyлiзащl Л шару, КТ =- еро6
Re
кр
Огляд методiв штенсифжаци процесу теплообмiннy подано в робой [6]. Домшуючим пiдходом всiх методiв були змiни геометрично! поверхнi теплопередачу що забезпечувало iнтенсивнiшy тyрбyлiзацiю потоюв теплоносив, i, таким чином, пщвищувало загальний коефiцieнт теплопередачi К Однак, таю методи, як правило, ведуть до збшьшення загального гiдравлiчного опору системи.
В роботах [7,8] запропоновано споЫб пщвищення загального коефiцieнта теплопередачi теплообмшно! апаратури шляхом введення в теплоносш малих кiлькостей ПАР.
Специфiчнiсть властивостей ПАР - це дифшьшсть !х молекулярно! будови. Молекула складаеться з двох частин - полярно! (гщрофшьно!) групи та неполярного (гщрофобного) радикалу. Гiдрофiльна (полярна) частина бшьшосп ПАР представлена такими групами: гщроксильною (-ОН); карбоксильною (СОО-); сульфатною (=SO4); сульфонатною (=SO3); етиленоксидною (CH2-CH2-O -); азотовмкними ( =NH, -NH2, =N-) тощо.
Неполярна (гiдрофобна) частина молекули - вуглеводневий радикал мае низьку спорiдненiсть до води i погано в нiй розчиняеться. В силу цього
4
молекули ПАР у водi концентруються в поверхневому шарi рщини таким чином, що полярш групи розташовуються у воднiй фаз^ а гiдрофобнi в повiтрянiй, формуючи на поверхнi води структурований адсорбцшний шар iз молекул ПАР (рис.1), який суттево послаблюе мiжмолекулярний зв'язок у поверхневому шарi води.
оооохюоооооооа
Рис.1 Схема молекул ПАР на noBepxHi води [9].
Чим довший вуглеводневий радикал, тим гiрше речовина розчинаеться у водi, тим бшьша його частина перейде у приповерхневий шар, тим бшьша його адсорбцшшсть. Накопичення ПАР у приповерхневому шарi зменшуе коефiцiент поверхневого натягу розчину. В роботi [10] нами дослщжено воднi розчини анiонактивних ПАР, натрш лаурилсульфату та натрiй алкансульфонату, Знайдено 1х оптимальнi концентраци у вод^ при яких коефiцiенти поверхневого натягу зменшуються у 1,92 та 2,15 рази, вщповщно. Зменшення коефiцiентiв поверхневого натягу мiнiмiзуе середнi товщини приграничних шарiв у системi стiнка трубопроводу-вода у 1,33 та 1,4 рази, вщповщно, та збшьшуе середш швидкост в цих приграничних Л шарах.
Результати дослщжень. Нами розраховано, як змiнюеться коефiцiент теплопередачi К вщ середньо! товщини Л-шару. Для прикладу розглядалась теплова обробка молока. Так, молоко температурою =350 С i витратою Gм= 15 л/с охолоджувалось до температури t2M=130С. Охолодження здшснювалось водою з початковою температурою t^=5° С. Кiнцева температура води ^в=110С. Орiентовний вибiр теплообмiнника проводили за класичною схемою [2]. За табл. 2.6 [2] був вибраний нормалiзований кожухотрубний теплообмiнник з площею поверхнi теплообмiну £=181 м2, з числом труб, що припадае на один хщ 64. Теплообмiнник мае наступи параметри: дiаметр кожуха D= 800 мм, дiаметр труб d=25х2 мм, число ходiв z=6, загальна кiлькiсть труб n=384, довжина труб L=6 м, ¿,мтр=7,0^10-2 м2 - площа перерiзу потоку в мiжтрубному просторi, маса теплообмiнника М=680 кг. В трубний просир направляли гарячий носш (молоко), а в мiжтрубний - воду. Нами розраховано, що критерш Рейнольдса для руху рщини (молока) в трубному простора Reм = 9113,76 ; для теплоноЫя (води) в мiжтрубному просторi: Ree = 14037,62 .
У робой [11] запропоновано нова методика розрахунку загального коефщента теплопередачi теплообмшно! апаратури, яка дозволяе визначити
5
загальний коефщент теплопередачi К т через середш товщини ламшарних приповерхневих шарiв i товщину роздшьно! стiнки мiж теплоносiями :
К0 =-г1-, (3)
О с Я С ' V '
°пл\ + ст +° пл 2
Ам1 Кст Кпл 2
О , О 2
де -JплL, ™2 - термiчнi опори Л-шару холодного i гарячого теплоносiя.
Кпл1 Кпл 2
вiдповiдно, Вт/м2 град.
За формулою (2) середня товщина Л-шару (молока) в трубному просторi дм= 1,78-10_4м; товщина Л-шару (води) в мiжтрубному просторi: д= 3,62 •Ю^м. Коефщент теплопередачi за формулою (3) рiвний:
К. =-:-1-= 915,93 Вт
0 1,78 х 102 х10~3 3,62 х10^ ' м2 •К
+-+ -
51,16х 10~2 17,5 57,5 х10~2
де дст - товщина стшки труби, м;
Хст _ теплопровiднiсть матерiалу; для труб виготовлених з нержавшчо! сталi А,ст=17,5 Вт/м2^К
Покажемо, як змшився коефiцieнт теплопередачi цього ж теплообмшника пiд впливом додавання ПАР, яка б забезпечила максимальне зменшення коефiцieнта поверхневого натягу води. Для натрш лаурилсульфату мiнiмальне значення коефщента поверхневого натягу спостерiгаeться при додаванш його в кiлькостi 0,505 мас.%. При заданiй концентраци коефiцieнт динамiчноl в'язкостi води /иПАР1 = 1,2749 х10~3Па • с, коефщент поверхневого натягу води <УПАР1 = 38,12 х10~3 Н/м, гщрофшьшсть поверхнi cosв = 0,963.
Критерш Рейнольдса для теплоносiя (води) в мiжтрубному просторi: Re2 = 14424,1. Середня товщина Л-шару в трубному просторi д=5,36•Ю-5 м. Середня товщина Л-шару (води) в мiжтрубному просторi д= 2,67 х10-4 м .
Коефщент теплопередачi рiвний:
К0 =-т-^--г = 1079,26 Вт/ 2 К
0 1,78 х10 2 х10~3 2,67 х10 ^ /м
- +-+ -
51,16 х10 17,5 57,5 х10"
6
Отже, при додаванш 0,505 мас.%. натрш лаурилсульфату до води загальний коефщент теплопередачi кожухотрубного теплообмшника 3pic на 17,8%.
Розрахуемо цей самий теплообмiнних при додаванш до води оптимально! концентраци 0,712 мас.% натрш алкансульфонату. Коефiцiент поверхневого натягу води: <ПАР2 = 34,06 х 10~3 Н/м, коефiцiент динамiчно! в'язкостi води 1ЛШР2 = 1,2745 х 103 Па • с, гiдрофiльнiсть поверхнi cosd = 0,971.
Критерiй Рейнольдса для теплоноЫя (води) в мiжтрубному простора Ree = 14428,40. Середня товщина Л шару в трубному просторi д=5,36•Ю-5 м. Середня товщина Л шару (води) в мiжтрубному просторi д= 2,53 •Ю-4 м
Коефщент теплопередачi рiвний:
К3 =---1—--- = 1108,38 Вт/2 К
3 16 78 х10 2 х10~3 2,53 х10~4 /м
- +-+ -
51,16 х10~2 17,5 57,5 х10
-2
Загальний коефiцiент теплопередачi кожухотрубного теплообмiнника зрiс на 21,01 %.
Результати розрахунку зводимо в таблицю.
Таблиця
Змша теплофтнчннх параметр1в теплоноая (води) пщ впливом ПАР
Вода + 0,505 мас.% Вода + 0,712 мас.%
Параметри Вода натрш лаурилсульфату натрiй алкансульфонату
ц8 , Па*с 1,31 10-3 1,2749 10-3 1,2745 10-3
Е, Н/м 7,422 10-2 3,812 10-2 3,406 10-2
Re 14037,62 14424,1 14428,4
3„„, м 3,62 10-4 2,67-10-4 2,53 10-4
3пл1 мК 6,2940-4 4,64 10-4 4,4 10-4
Вт
Вт м2 К 915,93 1079,26 1108,38
Як видно з таблищ, зменшення коефiцiента поверхневого натягу мiнiмiзуе середню товщину приграничного Л-шару у системi стiнка трубопроводу-вода. 3i зменшенням середньо! товщини приграничного Л-шару швидюсть в ньому зростае, а це штенсифжуе проходження кiлькостi тепла
7
через нього, оскшьки термiчний onip приповерхневого Л-шару зменшуеться у 1,43-1,33рази.
Мiнiмiзацiя теплового опору - це пiдвищення загального коефщента теплoпеpедачi. Як бачимо, що при додаванш натpiй лаурилсульфату та натрш алкансульфонату в холодний теплoнoсiй (воду), загальний кoефiцiент теплoпеpедачi теплooбмiнника збшьшився на 17,8% та 21,01% вщповщно, не збiльшуючи загального гiдpавлiчнoгo опору ще1 системи. Тому iнтенсифiкацiя теплообмшних пpoцесiв з використанням ПАР е доцшьною i актуальною.
Висновки.
1. Оптимальш кoнцентpацiï анioнних ПАР, зокрема натрш лаурилсульфату та натрш алкансульфонату зменшують середню товщину приповерхневого Л шару в системi пoтiк-стiнка теплообмшника в 1,33 та 1,43 рази вщповщно, а отже, зменшують його теpмiчний отр.
2. Зменшення теpмiчнoгo опору приграничного Л-шару iнтенсифiкуе проходження кшькосп тепла, i пiдвищуе загальний коефщент теплoпеpедачi на 17,8 % при використанш натpiй лаурилсульфату та на 20,01% при використанш натрш алкансульфонату, без збшьшення загального гiдpавлiчнoгo опору системи.
Л1тература
1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг: [Пер. с нем]. -М. : Наука, 1974. - 711с.
2. Дытнерский В.Н. Основные процессы и аппараты химической технологи/ В.Н. Дытнерский. - М.: Химия, 1991. - 495 с.
3. Чугаев Р.Р. Гидравлика (техническая механика жидкостей) /Р.Р. Чугаев. - Леншградд: Энергоиздат, 1982. - 672с.
4. Бшонога Ю.Л. 1нтенсифжащя та oптимiзацiя тепломасообмшних процеЫв при виpoбництвi органопрепараив i переробщ втopиннoï сировини м'ясокомбшаив: автореферат дис. на здобуття докт. техн. наук: спец.05.18.12 «Процеси та обладнання харчових, мiкpoбioлoгiчних та фармацевтичних виробництв» / Ю.Л. Бiлoнoга. - Одеса, 2006. - 36 с.
5. Ю.Л. Бшонога Пщвищення коефщента теплoпеpедачi теплooбмiннoï апаратури при використанш ПАР/ Ю.Л. Бшонога, О.Р. Максисько, Б.Р. ^ж [та ш.] // Науковий вкник Львiвськoï деpжавнoï академи ветеpинаpнoï медицини iменi С.З. Гжицького. - 2004. - Т.6, №2. - Ч.3. - С. 126 - 131.
6. Анипко О.Б. Методы интенсификацыы теплоотдачи теплообменников транспортных средств (обзор) / О.Б. Антипко, К.А Горбунок// Интегрированные технологии и энергосбережение. - 2001.- №1. - С.13 - 25.
7. Бшонога Ю.Л. Пщвищення коефщента теплoпеpедачi кожухотрубного теплообмшника при тепловш обробщ молока / Юрш Бшонога, Оксана Максисько //Шсник Харювського нацюнального техшчного ушверситету сiльськoгo господарства iменi Петра Василенка. -2005. - В. 38. -С. 82 - 85.
8
8. Кравщв Р.Й. Бшонога Ю.Л., Максисько О.Р., Зашчковська Л.В. Cnoci6 штенсифжаци теплопередачi в racTeMi холодоносiй (вода) - стшка тeплообмiнника-молоко. Подана заявка. У 2008 № 15169 вщ 29.12.2008.
9. Елисеев С.А Поверхностно-активные вещества и биотехнология / С.А. Елисеев,. Р.В. Кучер . - К.: Наук. думка, 1992.- 114 с.
10. Бшонога Ю.Л. Змша гщромехашчних i тeплофiзичних характеристик теплоноЫя в приграничному шарi пiд дieю поверхнево-активних речовин (ПАР) / Юрш Бiлонога, Оксана Максисько // 1нтегороваш технологи та енергозбереження. - 2009. - № 2. - (подана).
11. До питання розрахунку коефщента тeплопeрeдачi теплообмшно! апаратури / Ю.Л Бiлонога, О.Р Максисько, Б.Р. Цж, [та ш.] //Науковий вicник Львiвcькоl державно! академи ветеринарно! медицини iмeнi С.З. Гжицького.-2005.-Т.7(№2).-Ч.6.-С. 3-8.
Summary Y.L. Bilonoha, O.R. Maksysko THE INTENSIFICATION OF HEAT EXCHANGE DURING THE ADDITION OF ANIONIC SURFACE-ACTIVE SUBSTANCES (SAS)
It was calculated the coefficient of heat-transfer of normalized casetube heat exchange at using anionic surface-active substances (SAS) (water+0,505 mass/percent natrium laurilsulfate, water+0,712 mass/percent natrium alcansulfonate). It was shown, that during SAS using, the coefficient of heat-transfer increased into 17,8 percent and 21,01 percent accordingly.
Стаття надшшла до редакцИ 18.03.2009
9
