CC BY
36
637.02
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТР УКЦИИ КОЛЬЦЕВОЙ ТОНКОСЛОЙНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ МОЛОКА
Е.А. МАВРИН
Филиал Московского государственного университета технологий и управления (г. Мелеуз),
453850, Республика Башкортостан, г. Мелеуз, ул. Смоленская, 34; тел.: (34764) 3-17-52, факс: (34764) 3-17-52,
электронная почта: meUp@narodт
Представлены методика и результаты исследований опытной установки теплообменной аппаратуры трубчатого типа малой металлоемкости.
Ключевые слова: гидродинамические процессы, тепломассообмен, закрученные потоки, завихрители, пастеризация.
Научные публикации о современном состоянии исследований в области изучения гидродинамики, процессов тепломассообмена с применением закрученных потоков привлекают все большее внимание и имеют широкий диапазон применения в теплообменном и энергетическом оборудовании пищевой, химической и не фтеперерабатывающей промышле нности.
Стационарные завихрители, закрепленные в трубопроводе, такие как скрученные ленты, шнеки [1], винтовые вставки с накатками, имеющие трехмерную геометрию, обеспечивают трехмерное изменение скорости потока.
Сочетание осевой, тангенциальной и радиальной составляющих скорости, присущее закрученным потокам, ускоряет перенос импульса, энергии и массы, что способствует интенсификации процесса теплообмена. Это позволяет проводить модернизацию существующей теплообменной аппаратуры трубчатого типа, например, кожухотрубных теплообменников или теплообменников типа «труба в трубе», кольцевых тонкослойных аппаратов, и уменьшить ее габариты и энергозатраты примерно на 20%.
Цель работы - исследование гидродинамики жидкости, например молока, в закрученном потоке, теплоотдачи от стенки к потоку жидкости в опытной установке трубчатого типа с применением винтовых ореб-ренных вставок; сравнение экспериментальных данных с результатами, полученными для других вставок, выявление оптимальной конструкции вставки.
Рис. 1
Стенд экспериментальной установки для изучения гидродинамики и теплообмена закрученных потоков жидкости представлен на рис. 1 (1 - резервуар для испытуемой жидкости; 2 - термометр; 3 - центробежный насос; 4 - паровая рубашка; 5 - байпасная линия; 6 -расходомер; 7 - манометр; 8 - дифференциальный манометр для определения потерянного напора на опытном участке; 9, 10 - карманы для термопар, измеряющих температуру потока жидкости и стенки соответственно; 11 - переключатель; 12 - прибор КСП для показаний температуры; 13 - бак для воды).
Основные узлы установки: резервуар для молока 1, резервуар для горячей или холодной воды 13, два насоса 3 и экспериментальный узел, который состоит из трех труб разного диаметра, вставленных одна в другую. Конструкция выполнена в виде теплообменного аппарата «труба в трубе».
Молоко заполняет резервуар и с помощью насоса через расходомер направляется в опытный участок. Среднюю скорость потока приняли 1,5-3 м/с, число Рейнольдса 10000-30000. При исследованиях поддерживали постоянный напор жидкости. Стенки трубы обогревали горячей водой, которая поступала из термостата в рубашку и во внутреннюю трубу противотоком, где установлены завихрители, а затем сливалась в канализацию. Завихрители и винтовые оребренные вставки обеспечивают перевод осевого потока жидко -сти в трубе в закрученный поток, что интенсифицирует теплоотдачу к потоку. Расход молока фиксировался расходомером 6.
Горячая вода из сети водоснабжения заполняет резервуар 13, нагревается в нем до температуры 98°С и насосом подается в установку. Избыток воды из бака сливается через переливную трубу 14 в канализацию. Перелив воды через трубу 14 можно фиксировать визуально. Если расход воды из бака 13 через опытный участок больше, чем поступающей в него воды из сети, то перелива воды через трубу 14 не происходит. Визуально оценивая это, даем дополнительную подпитку горячей воды в бак 13.
Установка позволяет:
работать при постоянном напоре холодного и горячего теплоносителей, что обеспечивает постоянство их расхода и возможность работы при стационарных гидравлических и тепловых режимах;
фиксировать температуры /1-/4 холодного тепло носителя по ходу его движения;
фиксировать температуры Т1-Т7 стенки трубы;
фиксировать температуры горячего теплоносителя на входе в рубашку t [ и на выходе 14.
Эти возможности установки позволяют проводить исследования гидродинамики и теплоотдачи к закрученным потокам при турбулентном режиме движения жидкости.
Первоначальной задачей исследований было обобщение экспериментальных данных с помощью критериальных уравнений и получение расчетных формул для определения коэффициентов гидравлического трения 1 и потерянного напора М или потерянного давления для потока жидкости Др, закрученного в трубопроводе с помощью оребренных вставок.
Хорошая сходимость полученных данных с литературными свидетельствовала о достаточной точности и применимости методик измерений. Для расчета коэффициента гидродинамического сопротивления молока определяли потерю напора на стабилизированном участке установки длиной 2300 мм. На первом этапе исследования проводили с оребренными вставками разного шага £ 120, 160 и 220 мм. Подобные зависимости для изотермического потока жидкости, закрученного винтовыми вставками различного шага, получены в исследованиях [2]. На рис. 2 представлена зависимость перепада давления от средней скорости жидкости при £ 120, 160 и 220 мм (соответственно кривые 1, 2 и 3). Видно, что потери напора возрастают с увеличением расхода жидкости (скорости) и с уменьшением шага оребренной ленты.
Экспериментальные данные, приведенные на рис. 2, с достаточной точностью располагаются на параллельных прямых и могут быть описаны степенной зависимостью
Дт= €Ж[’8,
где а - опытный коэффициент, характеризующий геометрию вставки.
Последующая обработка опытных данных для всех испытанных вставок привела к единой зависимости перепада давления от скорости жидкости, параметра закручивания и площади кольцевого сечения:
ДР = 2,2К~1,3е0’4 *в ф
где ДР - перепад давления по длине участка, Па; К - площадь кольцевого сечения канала, см2; е - основание натурального логарифма; Ж - средняя скорость в живом сечении канала, м/с; ф - параметр закручивания.
В отличие от осевых потоков, в винтовых каналах увеличивается как путь прохождения потоков, так и скорость в живом сечении канала. В связи с этим выражение Дарси, связывающее потери напора закрученным потоком жидкости, примет вид
Рис. 2
2gDн Дт 2gDн ДРбш3 (90' — ф)
у/1Ж2
I
I
у1и
винтовой путь канала длиной I; I -
Бт (90' — ф) соБф длина горизонтального опытного участка, на котором определяется перепад давления; (90° - ф) - угол наклона винтовой направляющей к горизонту.
Подобное выражение было получено в работе [3] и использовано в исследованиях [4].
Уменьшение шага вставки и увеличение ее диаметра при определенном расходе жидкости, а также у вели-чение расхода молока при данном диаметре и шаге вставки, приводит к некоторому уменьшению коэффициента 1 и росту Яе.
Результаты наших опытов и данные [5] показали, что теплоотдача от нагретых стенок труб к потоку жидкости и гидравлическое сопротивление в винтовом потоке тем больше, чем интенсивнее закручивается поток, однако, как и при обычном турбулентном движении, число Нуссельта Ми пропорционально Яе в степени 0,8, а коэффициент гидравлического сопротивления пропорционален Яе в степени (-0,25). Гидродинамические и теплообменные критериальные зависимости позволяют непосредственно установить связь между
Ии^ид
2 -
Л Л
4
г—
1,4
У Л в
Рис. 3
1
2
3
Рис. 4
коэффициентом трения и числом Ми для осевого и закрученного потоков молока, как это показано на рис. 3.
Видно, что закрученный поток увеличивает как сопротивление, так и теплоотдачу, причем теплоотдача в таких потоках растет в большей степени, что делает перспективным интенсификацию процесса теплообмена в трубах с помощью турбулизирующих вставок.
Опытам с закрученными потоками предшествовали опыты с осевыми потоками жидкости. В секции установки вводили оребренные вставки. Было установлено, что винтовые ребра являются более эффективными при закрученных тепловых потоках, чем другие встав -ки. Таким образом, необходимо показать зависимость коэффициента теплоотдачи от мощности трения для различных вставок.
На рис. 4 представлена зависимость коэффициента теплоотдачи от мощности трения для различных вставок: 1 - винтовая оребренная вставка, 2 - гофрированные ребра, 3 - ленточная двухзаходная вставка, 4 - ленточная однозаходная вставка, 5 - внутренняя поверхность круглых труб.
При одинаковом сопротивлении коэффициент теплоотдачи для ребристой вставки в 1,7—5,5 раза больше, чем для внутренней поверхности круглых труб, а также ленточных вставок.
Линии на рисунке описываются степенной зависимостью
а = аЖ0’8,
где а1 - опытный коэффициент, определяемый размером вставки.
Обработка наших данных и пересчитанные значения дают единые гидродинамические и теплообменные критериальные зависимости для закрученных потоков, которые могут быть рекомендованы для труб с непрерывными оребренными вставками различного шага и конфигурации [6]. Установлены обобщающие критериальные гидродинамические и теплообменные закономерности для закрученных потоков, основывающиеся на средней скорости молока и эквивалентном диаметре канала.
Пересчет потерянного напора в мощность и сопоставление этих величин с выигрышем от увеличения теплоотдачи позволяют рекомендовать применение винтовых оребренных вставок в установках трубчатого типа: уменьшаются гидродинамические потери, возрастает интенсификация теплообмена при турбулентном режиме движения жидкости, уменьшается металлоемкость установок в 1,5—1,7 раза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев О.Ф. Механика винтовых и циркуляционных потоков. - М.: Госэнергоиздат, 1985. - 114 с.
2. Игнатьев В.Н. Разность методов расчета осесимметрич -ных потоков в завихрителях // Изв. вузов. Авиац. техника. - 1986. -№ 1. - С. 20-27.
3. Игуменцев Т.И., Назмеев Ю.Г. Интенсификация конвективного теплообмена спиральными закручивателями при тече -нии в трубах амониально-вязких жидкостей // Инж.-физ. журн. -1978. - № 2. - С. 41-48.
4. Иосифов М.И. Некоторые результаты аэродинамических испытаний турбулизаторов со встречной закруткой потока // Изв. вузов. Энергетика. - 1964. - № 9. - С. 54-60.
5. Назмеев Ю.Г. Интенсификация конвективного тепло -обмена в аномально-вязких средах путем применения искусствен -ной периодической шероховатости // Инж.-физ. журн. - 1979. - № 1. - С. 26-31.
6. Шнайдерман М.Ф., Ершов А.И. О влиянии закрутки потока на распределение скоростей и температур в круглой трубе // Инж.-физ. журн. - 1975. - № 3. - С. 63-69.
Поступила 19.01.10 г.
OPTIMIZATION OF CONSTRUCTION RING THIN-LAYER INSTALLATION FOR MILK
E.A. MAVRIN
Branch of Moscow State University of Technologies and Management (Meleuz),
34, Smolenskaya st., Republic Bashkortostan, Meleuz, 453850; ph. : (34764) 3-17-52, fax: (34764) 3-17-52, e-mail: melip@narod.ru
A method and results of researches of pilot plant of heat-exchange apparatus of tube-type of small metalloemkosti is presented. Key words: hydrodynamic processes, heat-mass exchange, twirled streams, swirlers, pasteurization.
