CC BY
10
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В КАМЕРАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ИНЖЕКЦИОННЫМ ПОДВОДОМ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ
С.А. Соколов, д-р техн. наук, доцент Ю.А. Селезнева, канд. техн. наук, доцент Д.С. Афенченко, старший преподаватель
Донецкий национальный университет экономики и торговли имени Михаила Туган-
Барановского
(У краина, г. Донецк)
Аннотация. В данной работе рассмотрены закономерности макроскопических процессов перемещения жидкости, вызванными сжатием и гетерогенными температурными областями во время обработки высоким давлением.
Практическое отношение к повышению температуры и как следствие наличию конвективных перемещений внутри обрабатываемого продукта амбивалентно. С одной стороны - большинство эффектов применения высокого давления в пищевой промышленности, чувствительны к изменению температуры процесса, следствием которой могут быть качественные изменения обрабатываемого продукта, такие как ухудшение цвета, вкуса, запаха, снижение концентрации витаминного комплекса. А в некоторых случаях вызванные изменения могут быть недопустимы с точки зрения безопасности продукта.
С другой стороны, принудительная конвекция, во время фазы нагнетания давления, а также естественная конвекция и вязкостные эффекты, позволяют интенсифицировать процесс обработки высоким давлением.
Таким образом, можно при обработке применить дополнительные факторы, которые провоцируют принудительную конвекцию (вибрация, ультразвук и т.д.), или естественную конвекцию - изменением температуры процесса обработки высокого давления за счет создания адиабатических или изотермических условий набора давления.
Ключевые слова: пищевые технологии, давление, макроскопические процессы перемещения жидкости, сжатие, гетерогенные температурные области, обработка, высокое давление.
1. В фазе нарастания давления вследствие изменения объёма увеличивается температура обрабатываемой среды. При адиабатическом изменении состояния в чистой, инертной и однородной среде происходит изменение температуры в соответствии с изменением давления, что определяется соотношением.
T* й*
dT * =-dp *
Р*cp *
(1)
где: Т* - температура, Р* - коэффициент термического расширения,
р - плотность, ср * - удельная теплоёмкость иp* - давление.
В зависимости от обрабатываемого продукта при повышении давления на 1
ГПа температура поднимается на несколько десятков градусов Цельсия. Заполненная камера высокого давления представляет собой систему, которая состоит из продукта, упаковочных материалов, которые обладают различными теплофизическими свойствами. Вследствие этого, несмотря на однородные начальные параметры распределения температур, во время повышения давления в камере образуется неоднородное температурное поле.
Для формального определения увеличение температуры вызванного повышением давления, воспользуемся уравнением сохранения для конкретного общего теплосодержания Н:
+ V-(pvH) = dp + V-(XVT) + V-(т-v) + Р• v, „ ч dt Р ) dt ( ) ( ) Р (2)
где:
У вектор скорости жидкости, У -
вектор силы тяжести, Р - плотность жидкости, Р - давление, * - время и т - тензор вязких напряжений.
Дальнейшее использование уравнения сохранения для конкретного теплосодержания Ь запишем как (3),
р— -Dp = V-(XVT) + пФ + pq ■ v, DtDt (3)
где: Ф- функция диссипации, а использование термодинамического отношения (4),
большей части пищевых продуктов и подобных веществ в условиях окружающей среды. Появление поля течения в жидкости, первоначально находящейся в покое, во время сжатия наиболее удобно можно показать с помощью уравнения баланса массы
°p + V- (pv) = 0. dt
(7)
Во время фазы сжатия плотность увеличивается с увеличением давления.
dp Ox
= о,
(8)
Dh _ 8h Dt ~ dp
Dp dh Dt dT
DT 1 T,Dp Dt (4)
-= —(1 -aT)-*- + cp- v '
, Dt p Dt p Dt,
где: а - это коэффициент термического расширения, дает возможность получить уравнение тепловой энергии
°Р = 0,
dy
dp v
— = -pq.
dz ™
(9)
(10)
pc — = aTDp + V^ (XVT) + Г/Ф + pq ■ v. p Dt Dt
(5)
Последнее уравнение показывает, что материальной производной температуры
т относительно времени 1 управляет
Р
материальная производная давления
относительно времени
Ф
пока функция
диссипации Ф и потенциальная энергия, а также поток, проводящий высокую температуру, находятся на низком уровне. В этом случае можно приблизительно вывести уравнение переноса тепловой энергии:
DT ^ dT Dp Dt pc Dt'
(6)
В случае проведения эксперимента с пищевыми маслами повышение температуры может достигать 10 К и выше.
Таким образом, движение жидкости обязательно присутствует при обработке жидкого вещества высоким давлением.
Если плотность увеличивается с увеличением давления и уменьшается с увеличением температуры, что обосновано для
d2 p d2 p dp
dydz dzdy dy
q.
dp
dy
= 0.
(11) (12)
Как следствие, обязательно должен появиться поток жидкости со скоростью отличной от нуля, который приводит к конвективной передаче высокой температуры и взвешенных веществ.
Степень тепловой неоднородности зависит от геометрической формы и размера камеры высокого давления (КВД), а также от свойств материала, из которого она изготовлена. Кроме того, важную роль играет содержимое КВД.
В результате анализа описания переноса импульса показало, что принудительная конвекция во время фазы нагнетания давления, а также естественная конвекция и вязкостные эффекты оказывают значительное влияние на процесс обработки ВД. На этом основании можно сделать вывод, что процесс обработки ВД можно интенсифицировать за счет применения дополнительных факторов, которые могут вы-
T
звать принудительную конвекцию, и естественную.
2. Схемы камер высокого давления
В практике «высокого давления» используется два основных типа установок высокого давления:
1 тип «Поршень - цилиндр» 2 тип Камера с инжекционным подводом
рабочей среды
Рис. 1 Схемы камер высокого давления
Примечание: 1 — камера высокого давления, 2 — промежуточная жидкость, 3 — образец (обрабатываемый продукт), 4 — гайка, 5 -кольцо уплотнительное, 6 - поршень
1 тип: На поршень действует внешнее усилие Р, которое перемещает поршень вниз, тем самым уменьшая объем камеры высокого давления и создавая избыточное давление в камере высокого давления до необходимой величины. Так как давление гидростатическое - то по всему объему камеры величина давления одинаковая. Камеры высокого давления выполненные по системе «поршень - цилиндр» имеют ряд геометрических ограничений и используются к качестве экспериментального оборудования
2 тип: Установка с инжекционным подводом рабочей среды. Представляет собой: камеру высокого давления (поз. 1), промежуточной среды (поз. 2), образец (поз. 3). Через отверстие малого диаметра осуществляется подача промежуточной жидкости высокого давления под избыточным давлением. Количество нагнетаемой жидкости обеспечивает необходимое давление в камере. Камеры с инжекционным подводом рабочей среды применяются на промышленных установках.
3. 3Б модель для моделирования.
Рис. 2 Твердотельная модель
Примечание: 1 — камера высокого давления; 2 — подача струи высокого давления; 3 — промежуточная среда; 4 — модельный обра-
зец.
Рис. 3 Конечно-элементная модель
Представленая твердотельная модель полученная средствами сеточного генератора комплекса А№У8. Настройка сеточного генератора - по умолчанию. Только в переходных и пристеночных зо-
нах произведено измельчение конечно-элементной сетки с параметрами - 8 слоев конечных элементов толщиной 0,25мм каждый.
Линейная теоретическая Кривая подачи насоса
кривая подачи вьюо^го давлшм
Рис. 4 Кривые подачи, использованные при моделировании
4. Кривые подачи, использованные при моделировании.
При выполнении моделирования выполнялось два параллельных моделирования.
Первое - повышение высокого давления выполнялось по линейному теоретическому закону.
Второе - повышение давления выполнялось по кривой подачи существующего насоса высоко давления фирмы Хаскель.
Из кривых подачи видно: что нагнетание давления осуществлялось в течении 30
секунд, а после этого выдерживалось еще 20 секунд.
5. Распределение температуры в процессе нагнетания давления
На рисунке 5 представлены пять секущих плоскостей в которых осуществлялся контроль температуры при проведении моделирования и представлено распределение полей температур в начальный момент времени ( = 0 секунд).
В результате моделирования были получены поля температур для линейной и не линейной подачи.
0 секунд, температура 300 К Рис. 5 Распределение температуры в начальный момент времени
Линейная подача Не линейная подача
50 секунд
Рис. 6 Распределение полей температур в процессе моделирования
Проанализировав полученные данные, было решено провести параллельное моделирование с теми же кривыми подачи, но с учетом гравитационной постоянной.
По результатам моделирования были получены поля распределения температур
с учетом гравитации (на рисунке представлена временная отметка - 50 секунд, как наиболее наглядная с точки зрения распределения полей температур).
Линейная подача
Не линейная подача
50 секунд
Рис. 7 Распределение температуры в процессе нагнетания давления с учетом
гравитации
На полученных изображениях четко прослеживается температурная неоднородность (АТ = 6,5К).
Проанализировав полученные данные по температурному изменению можно дать заключение - что модель адекватно описывает поведение образца в сравнении с литературными данными.
Исследование показало, что использование высокого давления является одним из перспективных направлений развития пищевых технологий. Во время обработки высоким давлением может наблюдаться увеличение температуры во время фазы сжатия из-за частичного преобразования
механической работы в тепловую энергию. Передача тепла между конструкцией камеры высокого давления (КВД) и её содержимым так же приводит к переходным, пространственно неоднородным температурным областям.
Высокое давление распространяется в жидкости по принципу Паскаля во всех направлениях. Это происходит для небольших адиабатических изменений давления, со скоростью звука. По этой причине можно предполагать, что давление возникает почти мгновенно во всей камере высокого давления.
- TexHuuecKue HayKU -
MODELING OF HEAT AND MASS TRANSFER IN A PRESSURE CHAMBER WITH AN INJECTION INLET WORKING
S.A. Sokolov, doctor of technical sciences, associate professor YuA. Seleznev, candidate of technical sciences, associate professor D.S. Аfenchenko, senior lecturer
Donetsk national university of economics and trade named after Mikhail Tugan-
Baranovsky
(Ukraine, Donetsk)
Abstract. In this paper, the regularities of macroscopic displacement of the fluid caused by compression and heterogeneous temperature fields during high pressure processing.
Hands-on attitude to increase in temperature and as a consequence of the presence of convec-tive movements inside the product to be processed ambivalent. On the one hand, most of the effects of high pressure in the food industry, are sensitive to process temperature changes, the consequence of which may be qualitative changes of the processed product, such as deterioration of color, taste, smell, decrease in the concentration of vitamin complex. And in some cases caused by changes may be unacceptable from the point of view of safety of the product.
On the other hand, forced convection, during the phase of injection pressure, as well as natural convection and viscous effects, allow to intensify the process of high pressure processing.
Thus, the processing to apply additional factors that provoke the forced convection (vibration, ultrasound, etc.), or natural convection - temperature processing high pressure due to the creation of the adiabatic or isothermal conditions set pressure.
Keywords: food technology, pressure, macroscopic processes of fluid displacement, compression, heterogeneous temperature field processing, high pressure.
