CC BY
40
УДК 664.002.5(075)
Бшонога Ю.Л., д.т.н., професор, Максисько O.P., к.т.н., ст. викладач © Лъе1есъкий нацюналънийутеерситет ветеринарногмедицини та бютехнологш iмет С.З.Гжицъкого
П1ДВИЩЕННЯ КОЕФ1Ц1СНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧ1 КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМ1ННИКА ПРИ ТЕПЛОВ1Й ОБРОБЦ1 МОЛОКА ШЛЯХОМ ВВЕДЕНИЯ ОПТИМАЛЬНО! КОНЦЕНТРАЦН
СОНЯШНИКОВО! ОЛП
Розраховано коефщенти mennonepedani нормал1зованого кожухотрубного теплообмшника за використання соняшниковог олп, як природнъог поверхнево-активног речовини (ПАР) до молока. Показано, що введения оптимальноï концентрацп олп тдвищуе коефщент memonepedani даного теплообмшника на 9%.
Ключое1 слова: приграничний ламтарний (Л) шар, середня товщина приграничного лам1нарного шару, кожухотрубний теплообм1нник, поверхнево-актившречовини (ПАР), коефщенттеплопередач, ттенсифтащя.
Постановка проблеми в загальному виглядь Значш енерговитрати в переробнш промисловосп, зокрема у харчовш, вщбуваються на стади теплово! обробки продукив. У молокопереробнш промисловост1 теплова обробка молока - це обов'язкова технолопчна операщя. Молоко bhcokoï якост1 не можливо одержати без охолодження. Охолодження здшснюють за допомогою охолоджувальних теплоносив внаслщок теплообм1ну м1ж ними i охолоджувальним середовищем у спещальних теплообмшних апаратах. Найбшьшого використання в молочш промисловосп отримали трубчат1 i пластинков1 апарати. Серед трубчатих теплообмшниюв найбшьше використовуються кожухотрубш теплообмшники, оскшьки вони компактш, npocTi у виготовленш i надшш в робот1. Тому i на сьогодш е актуальними питания пщвищення ефективност1 ïx роботи.
Анал1з останшх дослщжень i публжащй. Мехашзм передач! тепла в процес1 теплообмшу визначаеться режимом руху теплоноЫя [1], тобто пов'язаний з перемщенням рщин по трубопроводах чи технолопчних апаратах. 1нтенсившсть процесу теплопередач1 теплообмшно! апаратури визначаеться загальним коефщентом теплопередач1 К:
к = т^—г (1)
1 ! °ст + 1 ai Дcm а2
де 5ст - товщини металево! стшки, m ;
© Бшонога Ю.Л., Максисько O.P., 2013
8
Лст - коефшдентитеплопровщносп металево! стшки , Вт/м К;
а1 - коефщент тепловщдач1 вщ стшки до середовища Pi, Вт/м2 °С а2 - коефщент тепловщдач1 вщ середовища Р2 до стшки, Вт/м2 °С Пщ час розрахунку теплообмшно! апаратури задаються турбулентним режимом руху рщини. Однак в турбулентному потощ розр1зняють центральне ядро (основну масу рщини), в якому pyx е розвинутий турбулентний, i дуже тонкий приграничний ламшарний Л шар (в'язкий пщшар) рщини бия стшки, де сили в'язкост1 мають переважний плив на рух рщини, а характер руху -ламшарний [2].
Згщно Teopii' гщродинам1чного приграничного шару теплов1ддача вщ теплоношя до роздшьно! стшки чи навпаки вщбуваеться в тонкому приграничному Л mapi шляхом теплопровщностг Ф1зично, вся теплота, яка передаеться вщ стшки теплообмшника, перш шж досягнути ядра потоку, повинна пройти через цей приграничний Л шар, в якому концентруеться до 98% терм1чного опору системи [1]. Тод1 загальний тепловий р1вний:
О 7
Я = + (2)
т ст
5
де —— - тепловий отр Л шару;
Л
- ...
—— - тепловий отр роздшьно! ст1нки.
^ст
Однак при розрахунку теплообмшно! апаратури, тепловий отр цих Л шар1в не враховуеться [3]. В робот1 [4] було розраховано кожухотрубний теплообмшник з врахуванням теплового опору, що виникае на границ! рщина-стшка, в ламшарному приграничному (Л) шарг Показано, 84% теплового опору системи припадае на тепловий отр Л шару, \ величина цього опору залежить вщ його товщини. Тому для збшьшення коефщенту теплопередач1 доцшьно домагатись максимального зменшення цього опору, а значить мш1м1зувати товщину приграничного Л шару.
Вщомо, що товщину 5 Л шару в турбулентному потощ рщини в пристшних областях трубопроводу можна визначити за формулою [5]:
о =-1=, (3
Яел/X
де ё - д1аметр живого перер1зу рщини, м;
X - коефщент Дара (для турбулентно! област1 Х = 0 ^^ з р1вност1
Яе ,
Блаз1уса)
Однак, дана формула не враховуе ф1зичних характеристик рщкого середовища, що вщповщають за взаемодш поверхонь двох фаз тверде тшо-
9
рщина, а враховуе тшьки Ti ф1зичш характеристики потоку рщини, яю входять в критерш Рейнольдса (коефщент динам1чно! в'язкост1 ^ i густину р).
Оскшьки теплообмшш процеси в харчових та переробних виробництвах протжають в anapaTypi на меж1 роздшу двох фаз (рщина-стшка трубопроводу), то виникае потужне поле сил поверхневого натягу, яке змшюе потж рщини з утворенням ламшарного Л шару, а тому рух рщин в трубопроводах чи теплообмшних апаратах необхщно розглядати з врахуванням дп цих сил [6].
Формулу для обчислення середньо! товщини цього Л шару, яка б враховувала коефщент поверхневого натягу рщкофазного теплоноЫя та з гщрофшьшсть поверхн1 стшки представлена в робот1 [7]:
5 =
j2jlefij2vco&p
Л.
к.
т
(4)
де а -коефщент поверхневого натягу на меж1 тверде тшо - рщина, Н/м; со& - косинус кута змочування, або гщрофшьшсть поверхш стшки трубопроводу;
ё - д1аметр живого перер1зу потоку, м; I - довжина трубопроводу, м; р - густина рщини, кг/м3 ; Кт - коефщент турбул1заци Л шару
к = ^^ (5).
Т Яе,,
де ЯеКр = 2320 ; Яероб - робоче значения критерш Рейнольда
3 формули (4), видно, що товщину приграничного Л шару можна зменшити, якщо зменшити коефщент поверхневого натягу на границ! роздшу тверде тшо-рщина, який суттево зменшуеться пщ впливом поверхнево-активнихречовин (ПАР) [8].
В молокопереробнш промисловост1, наприклад, для штенсифкаци процесу кристал1заци молочного цукру використовуються ПАР рослинного походження. Так в рол1 ПАР [9-10], використовувались рослинш оли, яю е доступними, дешевими I нешкщливими.
В робот1 [11] нами було дослщжено поверхнев1 властивосп рослинних олш (коефщент поверхневого натягу ст, крайовий кут змочування 9, площу розтжання 8роз по поверхш води). Показано, що дослщжуваш рослинш оли на меж1 роздшу фаз рщина-газ, рщина-тверда поверхня, рщина-рщина ведуть себе як поверхнево-активш речовини до компонента молока. Оптимальш концентраци природних ПАР (р1зних рослинних олш) у молощ представлен! нами в робот1 [12].
10
Мета та завдання стагп — показати змшу ф1зичних властивостей молока за додавання оптимально! концентраци нерафшовано! соняшниково! оли, а саме зниження коефщента його поверхневого натягу на меж1 стшка теплообмшника-молоко, а також середньо! товщини приграничного Л, що в цшому веде до пщвищення загального коефщента теплопередач1 кожухотрубного теплообмшника.
Виклад основного матер1алу дослвдження. Покажемо як змшюеться коефщент теплопередач1 нормал1зованого кожухотрубного теплообмшника (д1аметр кожуха D= 800 мм, д1аметр труби d=25x2 мм, число ход1в z=6, загальна кшьюсть труб n=384, довжина труби L=6 м , ¿,мтр=7,0-10"2 м2 -площа nepepi3y потоку в м1жтрубному npocTopi, маса теплообмшника М=680 кг), який застосовуеться для охолодження молока за додавання до молока оптимально! концентраци нерафшовано! соняшниково! оли.
Молоко температурою tiM =350 С i витратою GM= 15 кг/с охолоджувалось до температури t2M=130C. Охолодження здшснюеться «льодяною» водою з початковою температурою tiB=5° С. Кшцева температура води t2B=11°C В трубний npocTip направляли гарячий носш (молоко), в м1ж трубний - воду.
Розрахунок i виб!р теплообмшника здшснювався за класичною схемою [3]. Однак, з класичного розрахунку можна бачити, що зменшення коефщента поверхневого натягу теплоноая пщ впливом ПАР шяк не вщображене в piBHOCTi (6) для визначення загального коефщента теплопередачу Hi в критер1альних р1вняннях для визначення критерш Нуссельта, а вщповщно i коефщ1ент1в тепловщдач1 a1t а2
1 S 1 (6)
—++—
де «1, «2_ коефщенти тепловщдач1 вщ холодного i гарячого ноЫя вщповщно, Вт/м2' град;
Я
—— - терм1чний onip стшки теплообмшника, Вт/м2 * град. X
ст
В робот! [13] нами запропоновано при розрахунку теплообмшно! апаратури, в якш зад1яш теплоноси з додаванням ПАР, користуватися р1вшстю
(7):
Ks=~S-8-^ (7)
пл1 | ст | пл 2
Лш1 Am Лш2
S ,
пл\ пл 2
де ^ил1 , ^пл2 - Терм1чн1 опори Л шару холодного i гарячого теплоноЫя. вщповщно, Вт/м2 * град.
11
Оптимальну концентрацию соняшниково! оли до молока визначали з графшу (рис.1) залежност! коефщента поверхневого натягу \ коефщента динам1чно! молока вщ !х концентрацш .
52 ,
50 I
с
и
I
Я
о
я
й а
я
Ф и о И
48 I
46
44
42
40
38
I ^А
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Проценгний вм1ст соняшниково! оли, мае. %
1,60 1,55 1,50 1,45 1,40 1,35 1,30 1,25
Й С
я
К
Я §
Я
Я «
Рис. 1. Залежшсть коеф1щснта поверхневого натягу о та коеф1щента динамично!" в'язкосл ц молока ввд концентрацп соняшниково*! олй'
Результати розрахунку зведено в таблицю.
Таблиця
Змша теплоф1зичних параметр1в теплоноспв пщ впливом ПАР
Параметры Вода Молоко Вода Молоко + (0,3...0,44) мае. % соняшниково! оли
ц8 , Па-с 1,31 10-3 1,56 10-3 1,31 10-3 1,29 10-3
с, Н/м 7,42 10-2 5,26 10-2 7,42 10-2 3,92 10-2
0080 0,866 0,919 0,866 0,951
Кг 140372 9113 14037 11021
8т, м 3,62 10-4 1,78 10-4 3,62 10-4 1,32 10-4
5пЛ М • К А.'Вт 6,29-10-4 3,48 10-4 6,29-10-4 2,58 10-4
Вт К 2 м 2 К 915 998 (9,0%)
Як видно з таблиц!, за додавання оптимально! концентрацп соняшниково! ол!! коефщенти поверхневого натягу молока зменшуються, а це м!н!м!зуе товщину приграничного Л шару у систем! стшка трубопроводу-
12
теплоносш, a 3i зменшенням товщини приграничного Л шару швидюсть в ньому зростае. Терм1чний onip приповерхневого Л шару молока зменшуеться у 1,35 рази за додавання соняшниково! оли. Мш1м1защя теплового опору - це пщвищення загального коефщента теплопередач1 теплообмшника на 9, 0%.
Збшьшення загального коефщента теплопередач1 кожухотрубного теплообмшника пщ впливом ПАР фжсували також експериментально на стенд1 гщромехашчних процеЫв, де знаходився макет кожухотрубного теплообмшника в лаборатори процеав та апарат1в нашого ушверситету.
Додатковим позитивним ефектом е те, що рослинш оли е джерелом полшенасичених жирних кислот, як1 не синтезуються в оргашзм1 людини. U,i кислоти е вихщними матер1алами для побудови кл1тинних мембран, приймають активну участь в обмшних процесах в оргашзм1, у нормал1заци лшщного обмшу, функцюнального стану печшки, пщвищенш антиоксидантних функцш оргашзму [14].
Л1тература
1 Анипко О.Б., Борисюк М,Д., Климов В.Ф. Техническая термодинамика и теплопередача в компактных теплообменниках транспортных машин.-Харьков.- 2006.-243 с.
2. Угинчус А.А Гидравлика и гидромашины, Харьков: Издательство Харьковского госуниверситета им. A.M. Горького, 1960. - 858 с.
3. Дытнерский В.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии (Пособие по проектированию) Под ред. Дытнерского В.Н. - М. «Химия». - 1991. - 495 с.
4. Бшонога Ю.Л., Максисько O.P., Ц1ж Б.Р. Особливост1 розрахунку теплообмшно! апаратури з врахуванням теплового опору приграничного шару. //Науковий вкник Льв1всько! державно! академи ветеринарно! медицини ¿меш С.З. Гжицького.-2002.- Т.4(№2).-Ч.5.-С.22-29.
5. Чугаев Р.Р.Гидравлика .Леншград, Энергоиздат,1982.-672с.
6. Бшонога Ю.Л. 1нтенсифшащя та оптим1защя тепломасообмшних процеав при виробництв1 органопрепарат1в i переробщ вторинно! сировини м'ясокомбшаив: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня докт. техн. наук: спец.05.18.12» Процеси та обладнання харчових, мжробюлопчних та фармацевтичних виробництв» /Ю.Л. Бшонога. -Одеса, 2006. -36 с.
7. Пщвищення коефщента теплопередач1 теплообмшно! апаратури при використанш ПАР/ Ю.Л. Бшонога, O.P. Максисько, Б.Р. Пдж [та ш.] //Науковий в! сник Льв1всько! державно! академи ветеринар но! медицини !мен! С.З. Гжицького. - 2004. - Т.6., №2. - 4.3. - С. 126-131.
8. Бшонога Ю.Л., Максисько O.P. 1нтенсиф1кащя теплообмшу при додаванш анюнних ПАР до води // Науковий вкник Льв1вського нацюнального ушверситету ветеринарно! медицини та бютехнологш !мен! С. З.Гжицького . -2009. - Т.11., №2.(41) - 4.5. - С. 3-9.
9. Гнездилова А.И. Влияние ПАВ на процесс кристаллизации молочного сахара.//Молочная промышленность.- 2000.- №8.- С.38-39.
13
10. Ропотенко Я.Г. Исследование влияния ПАВ на процесс кристаллизации сахара: Автореф. дис...канд. техн. наук: 05.18.05 /Институт коллоидной химии и химии воды.-Киев,1997.-23с.
11. Бшонога Ю. Обгрунтування вибору рослинних олш в якост1 поверхнево-активних речовин (ПАР) до компонента молока / Юрш Бшонога, Оксана Максисько //Науков1 пращ ОНАХТ. - 2009. - Випуск № 35. - Т.-2. -С. 158-164.
12. Бшонога Ю. Оптим1защя концентрацш рослинних поверхнево-активних речовин (ПАР) в молощ для штенсифжаци теплопередач1 в систем! стшка теплообмшника-пот1к // Юрш Бшонога, Оксана Максисько //Науков1 пращ ОНАХТ. - 2008. - Випуск № 32. -С. 200-204.
13. До питания розрахунку коефщента теплопередач1 теплообмшно! апаратури/ Ю.Л. Бшонога Ю.Л., О.Р. Максисько О.Р., Б.Р. Ц1ж [та ¿н.] //Науковий вкник Льв1всько! державно! академ1! ветеринарно! медицини ¿мен1 С.З. Гжицького. - 2005. - Т.7(№2). - Ч.6.- С. 3-8.
14. Кулакова С.Н. О растительных маслах нового поколения в нашем питании/ С.Н. Кулакова, М.М. Гаппаров, Е.В. Викторова // МЖП. - 2005. - №1. -С. 4-8.
Summary
It was calculated the coefficient of heat-transfer normalized casetube heat exchange for use sunflower oil as a natural surface-active substances to milk. It was shown, that the introduction of the optimal concentration of oil increases the heat transfer coefficient of the heat exchanger by 9%.
Рецензент - д.т.н., професор Щж Б.Р.
14
