CC BY
1
Научные труды Дальрыбвтуза. 2024. Т. 69, № 3. С. 28-36.
Scientific Journal of the Far Eastern State Technical Fisheries University. 2024. Vol. 69, no 3. P. 28-36.
ПИЩЕВЫЕ СИСТЕМЫ
Научная статья
УДК 536.445/536.4.033
DOI: doi.org/10.48612/dalrybvtuz/2024-69-03
EDN: FJQJVX
Исследование кризиса теплообмена первого рода при выпаривании солевых
растворов
Андрей Вячеславович Жуков1, Ольга Алексеевна Голубева2
1 2 Мурманский арктический университет, Мурманск, Россия
1 zhukov-andrey12@mail.ru, ORCID: 0000-0002-3357-7469
2 golubevaoa@mstu.edu.ru, ORCID: 0000-0003-2747-6939
Аннотация. В связи с широким применением процесса выпаривания в различных отраслях промышленности управление процессом выпаривания представляется достаточно актуальным и практически значимым. В работе представлены результаты исследования кризиса теплообмена первого рода при выпаривании раствора хлористого натрия. Целью работы является адаптация для истинных растворов критериального уравнения первой критической плотности теплового потока, полученного одним из авторов статьи в Мурманском государственном техническом университете, и справедливого для неоднородных жидких пищевых сред. Экспериментальные исследования проводились в два этапа с использованием физического моделирования, с соблюдением геометрического и физического подобия по оригинальной методике, разработанной в ФГАОУ ВО «Мурманский государственный технический университет» (в настоящее время - ФГАОУ ВО «Мурманский арктический университет». Исследования проведены на водных растворах поваренной соли (хлористого натрия) различной концентрации для трёх режимов обогрева при естественной конвекции. В ходе экспериментов сделана попытка определения участков выпарной трубы, где наиболее вероятно возникновение кризиса теплообмена первого рода, и на которые приходится наибольшая тепловая нагрузка, со временем вызывающая пережог стенки. Расчёт коэффициента теплоотдачи и критической плотности теплового потока, необходимых для адаптации критериального уравнения первой критической плотности теплового потока, выполнен по стандартной методике с применением программного обеспечения Microsoft Excel. Основным результатом данного этапа научного исследования стало окончательное достижение поставленной цели. Полученное уравнение позволяет предсказывать появление кризиса теплообмена первого рода при выпаривании исследуемого раствора, продолжать активное движение к созданию универсального уравнения по определению параметров исследуемого типа кризиса для вертикальных трубчатых поверхностей при естественной конвекции и разрабатывать рациональные режимы работы существующих и проектируемых выпарных аппаратов.
Ключевые слова: кризис теплообмена первого рода, солевой раствор, критериальное уравнение, выпаривание, критическая плотность теплового потока, критическая температура, парогенерирующая труба
Для цитирования: Жуков А. В., Голубева О. А. Исследование кризиса теплообмена первого рода при выпаривании солевых растворов // Научные труды Дальрыбвтуза. 2024. Т. 69, № 3. С. 28-36.
© Жук о в А . В . , Г олу б е в а О. А., 2024
FOOD SYSTEMS
Original article
Research of the heat transfer crisis of the first kind during evaporation of salt solutions
Andrey V. Zhukov1, Olga A. Golubeva2
1,2 Murmansk Arctic University, Murmansk, Russia
1 zhukov-andrey12@mail.ru, ORCID: 0000-0002-3357-7469
2 golubevaoa@mstu.edu.ru, ORCID: 0000-0003-2747-6939
Abstract. Due to the widespread use of the process of evaporation in various industries, monitoring the evaporation process seems to be quite relevant and practically significant. The paper presents the results of the study dealing with the crisis of heat transfer of the first kind in evaporating the sodium chloride solution. The aim of this work is to adapt the criterion equation of the first critical heat flux density for true solutions This equation was obtained by one of the authors of the article at the Murmansk State Technical University, and is valid for heterogeneous liquid food media. Experimental studies were carried out in two stages using physical modeling, observing geometric and physical similarity according to the original method developed at the Murmansk State Technical University. The studies were carried out on aqueous solutions of sodium chloride (sodium chloride) of various concentrations for three heating modes with natural convection. In the course of the experiments, an attempt was made to determine the sections of the evaporator tube, where the crisis of heat exchange of the first kind is most likely to occur, experiencing the greatest heat load, that eventually causes the wall's dead burning. The calculation of the heat transfer coefficient and critical heat flux density necessary to adapt the criterion equation of the first critical heat flux density was carried out according to standard methods using Microsoft Excel software. The main result of this stage of scientific research was the final achievement of the goal. The resulting equation allows to predict the appearance of the crisis of heat transfer of the first kind in evaporating the solution under study, to continue active movement towards the creation of the universal equation for determining the parameters of the type of crisis under study for vertical tubular surfaces under natural convection, and to develop rational operation modes for existing evaporators and the ones being designed.
Keywords: Crisis of heat transfer of the first kind, Salt solution, Criterion equation, Evaporation, Critical heat flux density, Critical temperature, Steam-generating pipe
For citation: Zhukov A. V., Golubeva O. A. Research of the heat transfer crisis of the first kind during evaporation of salt solutions. Scientific Journal of the Far Eastern State Technical Fisheries University. 2024; 69(3): 28-36 (in Russ.).
Введение
Процесс выпаривания активно используется во многих отраслях пищевой промышленности. В частности, выпаривание необходимо при производстве соков, молочной, сахаросодержащей, консервированной продукции и др. При производстве соли выпаривание солевого раствора является одним из основных технологических процессов.
Производство соли имеет большое значение для населения страны и никогда не прекращается, потому что соль необходима для жизни человека. Поваренная соль - это кристаллическое вещество преимущественно белого цвета, которое принимает участие в сохранении и регулировании ионного обмена натрия и калия, а также водно-солевого баланса человеческого организма.
Пищевая поваренная соль содержит в своём составе 97 % хлористого натрия, а также добавки в виде йодидов, карбонатов, в последнее время ещё и фторидов [1].
29
Разработка солевых месторождений Российской Федерации происходит в Поволжье, в Пермской области, в Восточной Сибири. Также известны крупные производители соли в ряде республик бывшего Советского Союза, а ныне независимых государствах [2].
Из всех известных пищевых добавок соль - самая дешевая, поэтому повышение стоимости ее производства на любом этапе может сделать разработку солевых месторождений нерентабельной.
На сегодняшний день рынок соли, как и большинство других, остро реагирует на рост цен на энергоносители (бензин, электроэнергию и т.д). На первый взгляд может показаться, что из-за невысокой цены рентабельность производства пищевой поваренной соли низка. Однако солевой рынок в самые короткие сроки окупает любые вложения.
Пищевая поваренная соль - почти идеальный, ходовой товар, который не портиться, официально имеет бесконечный срок хранения, обладает высоким спросом и рынком сбыта, практически не имеющим ограничений. Солевой рынок может поглотить любое количество производимого продукта [2].
Выварочная соль получается в результате выпаривания рассолов, добываемых из недр земли. Простое управление оборудованием при различных нагрузках и малые выбросы в окружающую среду, а также возврат конденсата в скважину делают данный способ производства соли рациональным и экономичным [2].
Выпаривание происходит в выпарных аппаратах, конструктивные особенности которых зависят от конкретных условий производства, специфики производимой продукции и её объемов, а сам процесс теплообмена происходит нелинейно, с изменением режима кипения из пузырькового в пленочное, что вызывает ухудшение теплоотдачи от греющей стенки к выпариваемой смеси и сопровождается резким, скачкообразным повышением температуры [3, 4].
Подобное изменение температурного режима закономерно создает риски повреждения промышленных выпарных аппаратов, обслуживание которых достаточно затратно, а необходимость ремонта влечет за собой возможное частичное или полное приостановление производства на предприятии.
Таким образом, подробное изучение проблематики кризиса теплообмена представляется не абстрактным вопросом, а вполне практиконаправленным исследованием, поскольку в дальнейшем позволит выработать конкретные предложения при создании новых вариантов конструкций и модификаций выпарных аппаратов, а также их использовании, снизить издержки производства и повысить производительность технологических линий, а значит, в широком смысле, отвечает выполнению задач повышения энергоэффективности и конкурентоспособности отечественной пищевой (и не только) промышленности в общемировом контексте.
Очевидно, что выработка таких рекомендаций должна базироваться на тщательной теоретической проработке вопроса.
Многообразие кризисов теплообмена и выпариваемых сред, несмотря на проводимые многолетние исследования, не позволило получить научные результаты достаточной глубины, а имеющиеся работы, в большинстве своем, изданы давно и не охватывают состояние вопроса с учетом современного развития науки и техники. Кризис теплообмена первого рода -наиболее часто изучаемый из всех известных типов кризисов теплообмена. Однако проблема разработки универсального уравнения первой критической плотности теплового потока до сих пор не решена и представляется достаточно актуальной [3-6].
В разделе «Материалы и методы» описаны объект исследования, этапы экспериментальных исследований, применяемое оборудование, измерительные приборы и методы моделирования.
В разделе «Результаты» изложены основные полученные результаты формирования и проявления кризиса теплообмена первого рода для солевых растворов запланированных концентраций при естественной конвекции, которые делают возможным раздвигание границы применения критериального уравнения для первой критической плотности теплового потока, разработанное одним из авторов статьи.
«Обсуждение» и «Заключение» посвящены анализу полученных результатов и выводам соответственно.
Материалы и методы
Целью данного этапа научно-исследовательской работы является адаптация для истинных растворов критериального уравнения первой критической плотности теплового потока, полученного одним из авторов статьи в Мурманском государственном техническом университете. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
- установление возможности применения методов моделирования и планирования экспериментов, ранее использованных при исследовании кризиса теплообмена первого рода для многокомпонентных гетерогенных пищевых смесей;
- установление параметров возникновения кризиса теплообмена первого рода внутри вертикальных труб при естественной конвекции для истинных пищевых растворов, на примере раствора поваренной соли;
- определение коэффициента А для критериального уравнения первой критической плотности теплового потока при выпаривании солевого раствора в исследуемых условиях.
В качестве объекта исследования использован солевой раствор концентрацией от 5 до 11 %, приготовленный из выварочной соли ГОСТ Р 51574 -2018. Концентрация изменялась с равномерным шагом 2 % [1].
Моделирование эксперимента проведено на основе теории подобия, с учетом геометрического, гидравлического и теплового подобия.
Планирование экспериментов проводилось по методу комбинаторных квадратов [7].
Выбранный метод хорошо известен, достаточно прост в использовании, имеет широкую область применения и позволяет проводить наименьшее число опытов. Исследование проведено как двухфакторный эксперимент.
Экспериментальные исследования выполнены для свободной конвекции при нормальном атмосферном давлении на короткой вертикальной парогенерирующей медной трубе 22 х 1, имитирующей вертикальную трубчатую теплообменную поверхность выпарного аппарата. Отношение внутреннего диаметра выпарной трубы к длине составило 37,5.
Подробное описание этапов, методики проведения экспериментальных исследований и экспериментальных установок представлено в источниках [8, 9]. Конструкция экспериментальной выпарной установки защищена патентом [10]. Фото и схема выпарного аппарата экспериментальной установки представлены на рис. 1.
Расчёт коэффициента теплоотдачи, тепловых потерь, плотности теплового потока, необходимых для адаптации критериального уравнения первой критической плотности теплового потока, проводился по стандартным методикам с использованием программного обеспечения Microsoft Excel [11].
Рис. 1. Фото (а) и схема (б) выпарного аппарата экспериментальной установки. Составлено авторами: 1 - электроалорифер; 2 - мановакууметр; 3 -эжектор; 4 - сепарационная камера; 5 - водяной конденсатор; 6 - патрубок отвода отработанного воздуха; 7 - верхняя секция греющей камеры; 8 - мерная ёмкость; 9 - циркуляционная труба; 10 - запорный вентиль; 11 - нижняя секция греющей камеры; 12 - парогенерирующие трубы; 13 - тэны для подогрева выпариваемой среды; 14 - станина; 15 - вентилятор; 16 - термопары; 17 - тэн для подогрева воздуха;
18 - водяной теплообменник. Составлено авторами Fig. 1. Photo (а) and diagram (б) of the evaporator of the experimental installation. Compiled by the authors: 1 - electric aspirator; 2 - vacuum pressure gauge; 3 - ejector; 4 - separation chamber; 5 - water condenser; 6 - exhaust air outlet pipe; 7 - upper section of the heating chamber; 8 - measuring tank; 9 - circulation pipe; 10 - shut-off valve; 11 - lower section of the heating chamber; 12 - steam generating pipes; 13 - heating elements for heating the evaporated medium; 14 - frame, 15 - fan; 16 - thermocouples; 17 - heating elements for air heating; 18 - water heat exchanger. Compiled by the
authors
Для адаптации к исследуемому раствору было использовано уравнение (1), разработанное одним из авторов статьи, для первой критической плотности теплового потока при выпаривании многокомпонентных гетерогенных пищевых смесей в аналогичных условиях [12]
Укр1см _ д ^
w * V
" wl " b * р e * ' l _ n
a * р см г^ см _Рсм _ d _ вн _
(1)
где ^кр1см - первая критическая плотность теплового потока, Вт/м2; I, йвн - геометрические размеры парогенерирующей трубы, м; <7см - коэффициент поверхностного натяжения смеси; Н/м; ^ = ^ ' Рол - массовая скорость смеси, кг/(м2с); гсм - скорость движения смеси, м/с; рсм
- плотность смеси, кг/м3; р - плотность вторичного пара, кг/м3; А - эмпирический коэффициент; Ь, е, п - показатели степени
Результаты
Полученные данные позволили подтвердить возможность применения для исследования кризиса теплообмена первого рода в истинных растворах разработанной методики проведения аналогичных экспериментов на неоднородных многокомпонентных пищевых смесях с учётом их планирования и применяемого экспериментального оборудования.
Результатами исследования первого этапа стали три режима равномерного электрического обогрева поверхности выпарной трубы, при которых наблюдался кризис теплообмена первого рода. Параметры режимов представлены в табл. 1.
Таблица 1
Режимы обогрева теплообменной поверхности. Составлено авторами
Table 1
Heating Modes of the heat exchange surface. Compiled by the authors
Номер режима Параметры режима обогрева
напряжение, В сила тока, А
1 150 3,6 - 4,1
2 160 4,0 - 4,4
3 170 4,2 - 4,6
При проведении исследований на каждом режиме обогрева осуществлялось трёхкратное повторение экспериментов продолжительностью от полутора до двух часов каждый.
На основе анализа экспериментальных данных подтверждено, что количество точек возникновения исследуемого кризиса теплообмена практически не прогнозируемо. В экспериментальных исследованиях оно варьировалось от 6 до 22 вне зависимости от режима обогрева и концентрации раствора.
С увеличением концентрации солевого раствора наблюдается повышение температуры кризиса теплообмена первого рода (критической температуры), что можно объяснить увеличением поверхностного натяжения жидкости и удельной теплоты парообразования.
Итогом математической обработки результатов экспериментов на данном этапе с использованием стандартного программного обеспечения Microsoft Excel стала зависимость эмпирического коэффициента А от показателя степени e для уравнения первой критической плотности теплового потока, ранее полученного одним из авторов статьи. Расчёт выполнен для каждой точки возникновения кризиса теплообмена первого рода на трёх установленных режимах обогрева во всём исследуемом диапазоне концентраций раствора. Показатель степени e изменялся от 0,05 до 1 с равномерным шагом 0,05. Результаты исследования представлены в графической форме. Пример графической зависимости А от e для солевого раствора концентрации 11 % на третьем режиме обогрева представлен на рис. 2. Указанные в легенде параметры от А1 до А14 соответствуют точкам исследуемого кризиса, возникшим в указанных условиях.
Рис. 2. Зависимости эмпирического коэффициента А от e для солевого раствора концентрации 11 %
на третьем режиме обогрева (напряжение 170 В, сила тока 4,0 ^ 4,4 А). Составлено авторами Fig. 2. Dependences of the empirical coefficient A on e for salt solution with the concentration of 11 % in the third heating mode (voltage 170 V, amperage 4.0 ^ 4.4 A). Compiled by the authors
С целью расширения границ применения уравнения первой критической плотности теплового потока для жидкостей, используемых в пищевой промышленности, и создания на его основе универсального уравнения использованы ранее полученные результаты и показатель степени e принят равным 0,69 [4,6]. В табл. 2 приведены результаты для средних эмпирических коэффициентов А с учётом e=0,69.
Таблица 2
Эмпирические коэффициенты А в зависимости от концентрации солевого раствора
при е =0,69. Составлено авторами
Table 2
Empirical coefficients A depending on the concentration of salt solution at e = 0.69. Compiled
by the authors
Концентрация раствора, % Эмпирический коэффициент А (среднее значение)
5 318,255 ± 9,15
7 316,987 ± 7,78
9 318,415 ± 7,63
11 342,777 ± 8,26
Обсуждение
Исследования кризиса теплообмена первого рода являются достаточно сложными вследствие невозможности на данном этапе точного прогнозирования его возникновения, а также значительного влияния на кризис теплообмена первого рода условий проведения эксперимента.
При проведении патентного поиска результаты исследований данного кризиса теплообмена для пищевых жидкостей авторами статьи не найдены.
Для сравнения могут быть использованы результаты исследования кризиса теплообмена первого рода для неоднородных многокомпонентных пищевых смесей в аналогичных условиях, полученные при участии одного из авторов данной статьи [8, 9, 11, 12].
Заключение
Полученные для солевого раствора результаты позволили распространить на истинные растворы разработанную ранее методологическую схему исследования кризиса теплообмена первого рода многокомпонентных гетерогенных пищевых смесей для аналогичных условий.
Установленные режимы возникновения кризиса теплообмена первого рода для солевого раствора и динамика изменения критической температуры соответствуют аналогичным режимам многокомпонентных гетерогенных пищевых смесей, что позволяет сохранять режимы обогрева парогенерирующей поверхности выпарного аппарата при замене выпариваемой пищевой жидкости.
Разработанное для многокомпонентных гетерогенных пищевых смесей уравнение определения первой критической плотности теплового потока может быть использовано для солевого раствора с учётом полученных эмпирических коэффициентов, что расширяет границы применения уравнения, приближает получение универсального уравнения для расчёта первой критической плотности теплового потока. Результаты исследования позволят создать рекомендации по поддержанию наиболее эффективных режимов работы выпарных аппаратов с вертикальной трубчатой поверхностью теплообмена для естественной конвекции.
Список источников
1. ГОСТ Р 51574 -2018. Соль пищевая. Общие технические условия. https://docs.cntd.ru/document/1200159300 Accessed 15 Nov 2021.
2. Eurasian Salt Company https://www.esolk.ru/o-kompanii/poleznaya-informatsiya/dobycha-soli-rossiya/, https://www.esolk.ru/mestorozhdeniya-soli/ Accessed 10 Nov 2021.
3. Гогонин И. И. Зависимость критического теплового потока при кипении от физических свойств теплоносителя // Теплофизика и аэродинамика. 2009. Т. 1. С. 115-122.
4. Дьяконов В. Г., Лонщаков О. А. Основы теплопередачи и массообмена : учеб. пособие / Казан. нац. исслед. технол. ун-т. Казань: Изд-во КНИТУ, 2015. 242 с.
5. Катто Ю. Критические тепловые потоки при кипении. Сан-Франциско, 1986. 36 с.
6. Захаров Н. С. Конвективные течения в процессах нестационарного вскипания теплоносителя в пристенном зернистом слое : дис. ... канд. техн. наук. М., 2017. 152 с.
7. Протодьяконов, М. М. Методика рационального планирования экспериментов / М. М. Протодьяконов, Р. И. Тедер. М. : Изд-во «Наука», 1979. 76 с.
8. Голубева О. А. Повышение эффективности работы выпарных аппаратов в условиях критических тепловых потоков : дис. ... канд. техн. наук. Мурманск, 1998. 147 с.
9. Голубева О. А, Грекова О. М. Кризис теплообмена первого рода при выпаривании молока : проблема и способы решения // Вестник МГТУ : тр. Мурм. гос. техн. ун-та. 2017. Т. 20, № 3. С. 157-164. DOI: 10.21443/1560-9278-2017-20-3-547-555.
10. Пат. RU 178723 U1 Российская Федерация, МПК B01D 1/06, B01D 1/12. Выпарная установка / Голубева О. А., Грекова О. М..; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Мурманский государственный технический университет». № 201713716 ; заявл. 23.10.2017 ; опубл. 18.04.2018, Бюл. № 11. 4 с., ил.
11. Голубева О. А., Грекова О. М. Разработка и совершенствование технологического и холодильного оборудования пищевых производств. Раздел 4 Разработка и совершенствование оборудования для исследования кризиса теплообмена первого рода в многокомпонентных гетерогенных смесях : отчёт о ГБ НИР «Разработка и совершенствование технологического и холодильного оборудования пищевых производств» (заключ.). № ГР 01201375267, Номер государственного учета отчёта АААА-Б18-218021660002-2, дата постановки на учёт 16.02.2018.
12. Голубева О. А., Грекова О. М. Кризис теплообмена первого рода в молочно-сахарных смесях и способы его устранения // Инновации и продовольственная безопасность : теоретический и научно-практический журнал. Новосибирск. 2018. № 2(20). С. 36-44. DOI: 10.31677/2311-0651-2018-0-2-36-44.
Информация об авторах
А. В. Жуков - аспирант кафедры «Технологическое и холодильное оборудование», SPIN-код: 6818-9154, AuthorlD: 1258537.
О. А. Голубева - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Технологическое и холодильное оборудование», Почетный работник сферы образования Российской Федерации, SPIN-код: 8603-2760, AuthorlD: 800874.
Information about the authors
A. V. Zhukov - Postgraduate student of the Department of Technological and refrigeration equipment, SPIN-code: 6818-9154, AuthorlD: 1258537.
О. А. Golubeva - PhD in Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Technological and refrigeration equipment, Honorary Worker of the Russian Federation Education Sector, SPIN-code: 8603-2760, AuthorlD: 800874.
Статья поступила в редакцию 08.09.2024; одобрена после рецензирования 19.09.2024; принята к публикации 30.09.2024.
The article was submitted 08.09.2024; approved after reviewing 19.09.2024; accepted for publication 30.09.2024.
