CC BY
27
664.647.3:66.046.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КИПЕНИЯ ФРУКТОВЫХ ПЮРЕ НА ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОБОГРЕВАЕМОЙ СТЕНКЕ
А.Н. ОСТРИКОВ, Ф.Н. ВЕРТЯКОВ
Воронежская государственная технологическая академия,
394000, г. Воронеж, проспект Революции, 19; тел./факс: (4732) 55-35-54, электронная почта: oan@vgta.vrn.ru
Установлен характер процесса кипения фруктовых пюре на вертикальной обогреваемой стенке. Определены основные кинетические закономерности кипения фруктовых пюре на вертикальной обогреваемой стенке.
Ключевые слова: кипение, фруктовое пюре, вертикальная стенка, вакуум.
Важнейшим этапом процесса производства концентрированных фруктовых и овощных пюре методом двухстадийного выпаривания является нагрев до температуры кипения и кипение стекающей вниз по вертикальной стенке под действием сил тяжести пленки пюре при данной величине разрежения.
Цель данной работы - исследование процесса кипения фруктовых пюре на вертикальной обогреваемой стенке вакуум-камеры.
Кипение, т. е. процесс интенсивного образования паровых пузырей во всем объеме пюре при температурах свыше температуры насыщения, является второй стадией процесса концентрирования фруктовых и овощных пюре. В связи с отсутствием в пюре внутренних источников теплоты объемное кипение отсутствовало, поэтому данная задача сводилась к исследованию кипения пюре на твердой поверхности теплообмена (вертикальной стенке вакуум-камеры), к которой извне подводится теплота. Особенностью процесса кипения фруктового пюре является зарождение, рост и отрыв множества небольших по объему шаровых пузырьков и приток к месту образования пузырьков пара пюре. Перегрев пюре происходит у обогреваемой поверхности вертикальной стенки вакуум-камеры, поэтому образование пузырьков пара наблюдалось непосредственно на поверхности теплообмена. При кипении пюре в граничном слое на поверхности вертикальной стенки вакуум-камеры осуществляется пульсационный конвективный перенос теплоты, который сопровождается молекулярным переносом теплоты в граничном слое у поверхности нагрева и у поверхности оболочек мельчайших паровых пузырьков.
Для зарождения пузырьков пара из пюре на поверхности вертикальной стенки вакуум-камеры необходимо выполнение условия
Т >Т
гг НЯРп
(1)
где Тст - температура поверхности вертикальной стенки вакуум-камеры, К; Тнас.р - равновесная температура насыщенного пара при данном давлении, К.
Исследование процесса кипения фруктового пюре выявило доминирование пузырькового режима кипения, при котором пар образуется в виде отдельных пе-
риодически зарождающихся, растущих и отрывающихся паровых пузырей. Образование пузырька с критическим радиусом Якр (т. е. с радиусом в момент зарождения парового пузырька) происходило, если температура пюре, окружающего пузырекпара, Тж превышала температуру насыщения Тн при давлении в вакуум-камере р на величину Тж - Тн. Тогда
2 стГ„
Р грИ(Тх-Тн)
(2)
где а - коэффициент поверхностного натяжения пюре, Н/м; г -удельная теплота парообразования, кДж/кг; рп - плотность пара, кг/м3.
Увеличение перегрева пюре (Тж - Тн) и величины разрежения р в вакуум-камере приводит к уменьшению Я1ф, а следовательно, к увеличению общего числа действующих центров парообразования, интенсивному перемешиванию пюре в пограничном слое и увеличению теплоотдачи.
Основной характеристикой теплообмена при кипении фруктового пюре является скорость роста паровых пузырей на поверхности нагрева, которая в свою очередь зависит от интенсивности теплового потока. В качестве параметра, определяющего интенсивность теплообмена при кипении, использовали число Якоба 1а, характеризующее соотношение между тепловым потоком, идущим на перегрев единицы объема пюре, и объемной теплотой парообразования:
1а —
с„(Тж~ТИ )Рж '' Р„
(3)
где ср - удельная теплоемкость пюре, кДж/(кг - К); рж - плотность пюре, кг/м3.
Число 1а зависело от величины разрежения в вакуум-камере и перегрева (Тж - Тн) фруктового пюре: с их увеличением число 1а повышалось. При давлении ниже атмосферного (7а > 20) теплота к паровому пузырьку передается от перегретого слоя жидкости на меж-фазной поверхности, и радиус парового пузырька Я определяется соотношением
i? = 2у Ja л/ат,
(4)
где у-экспериментальный коэффициент, зависящий от геометрических факторов (у = 0,10...0,49 - для краевых углов смачивания 0 = 40.. .90°); т - время пребывания пузырьков на поверхности теплообмена; а - коэффициент температуропроводности пюре, м “/с.
Зависимость (4) получена для давления (ОД... 100,0) • 105 Па да = 1000...0,1). Из уравнения (4) следует, что паровые пузырьки увеличиваются с ростом числа Якоба.
Время роста пузырька находится из уравнения
32^,, (Гж-Т„ )
R
fR 2
1- кр
R о
(5)
где А-п - теплопроводность пара, Вт/(м * К); Я0 - отрывной радиус парового пузырька, м;
Значения Я0 определяли с помощью формулы В. Фритца
d0 = 0,0208 Єд/cj/g (рж —р„ ),
(б)
где g-ускорение свободного падения, м/с “.
Процесс кипения пюре на обогреваемой вертикальной стенке приобретал взрывоподобный характер с пульсационным перемещением масс пара и пюре в граничном слое за счет значительного увеличения объема пузырька за очень малый промежуток времени его роста: для величины давления в вакуум-камере 1-5 кПа т составляло <0,1 с.
По мере увеличения удельной тепловой нагрузки поверхности нагрева число мест образования паровых пузырьков на вертикальной стенке возрастает. Вследствие повышения температуры перегрева Д?пер пюре в граничном слое с повышением нагрузки увеличивается скорость роста паровых пузырьков, повышается частота отрыва их от стенки и соответственно повышается частота пульсационных притоков более холодных масс пюре в граничный слой у стенки.
Теплота, передаваемая от поверхности нагрева в кипящее пюре, расходуется на парообразование, поэтому приведенная скорость кипения определяется из уравнения теплового баланса
v=q/ (ф„ ),
(7)
где д - тепловой поток, приходящийся на единицу площади поверхности вертикальной стенки.
При выводе уравнения (7) не учитывался рост пузырьков при всплывании, поэтому оно позволяет лишь
приближенно рассчитать приведенную скорость парообразования.
Действительная скорость пара уп в двухфазном слое оказывается больше скорости всплывания отдельных пузырьков в малоподвижной пленке фруктового пюре, что связано с циркуляционным движением жидкой фазы, увлекаемой паровыми пузырьками.
В связи с тем, что теплоотдача при пузырьковом кипении пюре в условиях свободного движения отличается большой сложностью, для определения коэффициента теплоотдачи получено критериальное уравнение
Nu = 0,109 Re Рг°
(8)
Уравнение (8) справедливо для значений Яе = 0,01...84, Рг = 79...945600.
При кипении пюре коэффициент теплоотдачи а увеличивается лишь до определенного значения. При большом тепловом потоке число паровых пузырьков, образующихся на вертикальной обогреваемой стенке, оказывается таким большим, что граничный слой превращается в сплошную паровую пленку. При этом наступает кризис кипения пюре, сопровождаемый резким повышением температуры стенки и снижением коэффициента теплоотдачи а. Переход пузырькового режима в пленочный наблюдался при температурах вертикальной стенки > 93 °С.
Кризисы кипения связаны с коренным изменением механизма теплоотдачи при переходе пузырькового кипения в пленочное. Установлено, что кризис кипения наступает раньше, чем температура поверхности приблизится к температуре предельного перегрева пюре. Это объясняется тем, что при наличии готовых центров парообразования имеет место нарушение фазового массообмена и соответственно нарушение устойчивости режима пузырькового кипения.
выводы
1. Исследован механизм образования паровых пузырей при кипении яблочного пюре на вертикальной стенке вакуум-камеры.
2. Установлен характер процесса кипения фруктовых пюре на вертикальной обогреваемой стенке и получено критериальное уравнение для определения коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении пюре в условиях свободного движения на вертикальной обогреваемой стенке.
Поступила 02.06.08г.
RESEARCH OF PROCESS OF BOILING OF FRUIT PUREES ON A VERTICAL WARMED WALL
A.N. OSTR1KOV, F.N. VERTYAKOV
Voronezh State Technological Academy,
19, Revolution Avenue, Voronezh, 394000; ph./fax: (4732) 55-35-54, e-mail: oan@vgta.vrn.ru
Character of process of boiling of fruit purees on a vertical warmed wall is established. The basic kinetic laws of boiling of fruit purees on a vertical warmed wall are determined.
Key words: boiling, fruit purees, a vertical wall, vacuum.
