Влияние ультразвука на снижение накипеобразования при выпаривании сахарных растворов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

решение уравнения (11) находится методом разложения по малому параметру 8(ф:

© =0о +Sf00, +S/-02. + ...

(13)

Решения для задач нулевого и первого приближения имеют вид:

00 = а'Ъ +[(1+аг)1-' ' - Л

-М

(14)

0, = .«2[,(А -2d2\nd) (і -А ) + + 2d(d -А )ln(d -А ) _

-2 d

А (d-\) ln (d-І)],

(15)

а;

— . При ar = 0 d = 1.

где аГ == 1 -,

(1 +агу — аг

После определения функции 0 с использованием обратного преобразования (10) находим распределе-

ние давлении в слое осадка:

При

известных зависимостях е (Р„) и г (Рч) далее могут быть определены профили этих величин по толщине осадка и во времени, так как

Х/а =

;2*/2л/ї

ЇГЩЇ

= z/h.

На рис. 2 представлены профили распределения давления по толщине ряда осадков: /—осадок сатурационного сока, ДЯ=0,1 МПа, ,9 =0,434;

2 —осадок СаСОз, ДР=0,1 МПа, 5=0,057;

3—идеальный несжимаемый осадок, рассчитанные по уравнениям (13) — (15). В связи с автомодельностью процесса фильтрования (при незначительном сопротивлении фильтровальной перегородки) эти профили при возрастании слоя осадка являются аффиноподобными.

ВЫВОДЫ

1. Относительная деформация осадков сатура-ционных соков линейно зависит от логарифма давления—уравнение (9).

2. Задача фильтрования при допущении о незначительном сопротивлении фильтровальной перегородки является автомодельной — уравнения (10)-^- : (12).

3. Полученное аналитическое решение сформулированной задачи фильтрования — уравнения (13)—

(15) — позволяет установить профили важнейших характеристик осадков е (г, (), г (г, /), необходимых для оптимизации режимов фильтрования.

ЛИТЕРАТУРА

1.

2

Ш п а н о в Н. В. Фильтры непрерывного действия,— М.: Машгиз, 1949.

Воробьев Е. И., Аникеев Ю. В. Совершенствование фильтровальной техники пищевых производств,—К.: Урожай, 1989 — 136 с.

Федоткин И. М., Воробьев Е. И., В ь ю н В. И. Гидродинамическая теория фильтрования суспензий.— К.: Вища школа, 1986,— 166 с.

ScJiphake D., Beyer Р. Beitrag zum Filtration — sverhalten von Carbonatationsschlänimen//Zucker.— 1977,— № 8,— S.30.

Austmeyer К, E. Verfahrenstechnische Grundlagen der mechanischen schnitzelentwässerung//Zuckering.— 1987,— №10,— S. 868.

6. Воробьев E. И.„ Тарасенко A. П. Влияние сжимаемости осадка на закономерности процесса фильтрования суспензий//Теорет. основы хим. техно-. лс)гии.— 1987,— № 4.— С. 793.

5.

Отдел процессов и аппаратов Кафедра процессов и аппаратов

Поступила 07.02.90

664.1.048:66,084

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА СНИЖЕНИЕ НАКИПЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ВЫПАРИВАНИИ САХАРНЫХ РАСТВОРОВ

М. Н. ЧЕПУРНОЙ

Винницкий политехнический институт

В процессе выпаривания сахарных растворов на поверхностях нагрева выпарных аппаратов происходит отложение накипи. Загрязнение поверхностей теплообмена наносит ощутимый ущерб производству. Потери, . обусловленные отложением накипи и необходимостью ее очистки, в сахарном производстве составляют до 150 тыс. р. на одном заводе [1]. В этой связи борьба с накипеобразованием имеет важное народнохозяйственное значение. Ультразвуковые методы снижения накипеобразова-ния опробованы рядом исследователей. [2—4 и др.]. Имеющиеся результаты, однако, плохо согласуются

между собой, что объясняется, на наш взгляд, использованием ультразвуковых колебаний различной интенсивности. Поэтому ставилась задача исследовать влияние ультразвука различной интенсивности (уровня звука) на процесс отложения накипи при выпаривании соков сахарного производства.

Исследования проводились как в лабораторных условиях, так и на промышленных выпарных аппаратах Корделевского сахарного завода. Лабора торные установки представляли модели выпарнь1х аппаратов, схема которых приведена на рис. 1 Электронагреватель 7 диаметром 14 мм и длиной

Рис.

300 лиa^ муф' а сі режі торо опьп 10. * Темг новк вате, рамі-соед новк жив; Обр< по т[ пара осуп цион мери зова, корп ного тельї пред. 3,8-15—: 65—!

ІІОТОІ

ров

устаї

резу.

циен

Зате

врем

СТЄП(

нах 1

марк

Одна

ной.

при

где/?,

ствен

фици

300 мм помещался внутри стеклянной трубы 6 диаметром 25 мм, которая посредством резиновых муфт 5 соединялась сверху с надсоковой камерой 8, а снизу — с ультразвуковой ванной 2. Тепловой режим нагревателей регулировался автотрансформатором 20 и поддерживался постоянным в течение опытов по показаниям амперметра 9 и вольтметра 10. Электронагреватели работали в режиме кипения. Температуры жидкости на входе и выходе из установки, а также температуры стенки электронагревателей измерялись медьконстантановыми термопарами 3, 4 и 11, которые через переключатель 17 соединены с потенциометром 12. Уровень сока в установках, равный 30% от длины нагревателей, поддерживался при помощи указательного стекла 18. Образующийся пар из надсокового пространства 8 по трубке 14 поступал в конденсатор 13, а конденсат пара отводился на мерник 15. Циркуляция в контуре осуществлялась посредством наружной циркуляционной трубы 19. Сок поступал из расходного мерника 21. В качестве рабочих жидкостей использовались свекловичные соки второго и третьего корпусов выпарной станции Корделевского сахарного завода, физические свойств которых предварительно определялись. Солесодержание изменялось в пределах 480—680 мг/л\ общая жесткость — 3,8—6,2 мг чэкв/л; Са — 50—66 мг/л\ Мц — 15—27 мг/л\ хлориды — 85—110 мг/л\ сульфиды — 65—95 мг/л\ фосфаты — 15—25 мг/л. Тепловые потоки определялись по показаниям электроприборов и количеству собранного конденсата. Вначале установки были протарированы на конденсате, в результате чего были определены значения коэффициентов теплопередачи при чистых поверхностях. Затем опыты велись с рабочими растворами. Одновременно работали девять моделей с различной степенью ультразвуковой обработки жидкости в ваннах 2, запитанных от ультразвуковых генераторов I марки ИГ-6 с резонансной частотой 21 КГц, Одна установка оставалась для сравнения неозвученной. Интенсивность накипеобразования оценивалась при помощи коэффициента накипеобразования [5]

ён =Кн /№-Ы? и); (0<£я<1). (!)

где/?о и Ян — термическое сопротивление соответственно чистой поверхности и слоя накипи. Коэффициент цн учитывает начальное состояние поверх-

ности нагрева и характеризует эффективность ее использования, поскольку текущий коэффициент •теплопередачи равен

К/ =(1 — ён) / /?<>■ = Кац , (2)

где величина т) представляет, по сути дела, текущий тепловой к. п. д. теплообменника.

Общая продолжительность т наработки лабораторных установок составила около 80 сут. На рис. 2 представлены значения коэффициентов накипеобра-зования при различных уровнях звука Вт/м2-,

Я 30 45 ВО Т

Рис. 2 Текущие коэффициенты накилербразования. при значениях /: / 0, 2, 5 — 6; 3, 6— 10; 4, 7— 16;

Но : 2. 4 1,26; 5, 7 1,55

Из приведенного рисунка видно, что наиболее су щественное влияние ультразвука на снижение наки пеббразования происходит при возрастании / от

0 до 10. Дальнейшее увеличение / уменьшает ён не столь значительно. В ходе опытов установлено, что степень влияния ультразвука на накипеобра-зование зависит от физических свойств упариваемой жидкости. Это объясняется тем, что в более плотных и вязких жидкостях возрастает коэффициент затухания [6]. В процессе упаривания жидкости в аппарате ее физические свойства могут изменяться весьма значительно. Метод учета этого изменения по степени упаривания раствора [5], хот-я и верно отражает суть явления,, но имеет ограниченную область применения. Оказалось удобным изменение физических свойств жидкостей в процессе выпаривания оценивать по степени изменения их динамической вязкости |ло, представляющей отношение вязкости упаренного раствора к вязкости поступающей в аппарат жидкости.

Эксперименты позволили обнаружить, что при />8 в объеме жидкости образуются чешуйки слоистой накипи размерами до 0,5 мм, что свидетельствует о влиянии ультразвука на коагуляцию взвешенных частиц. Это обстоятельство необходимо учитывать при использовании ультразвука в промышленных выпарных установках, где потребуется очистка упариваемого продукта от шлама» Следует предполагать, что при озвучивании многотрубных пучков несколькими магнитострикторами оптимальный уровень звука должен быть выше уровня, найденного в лабораторных условиях, где звуковой пучок строго коллимирован [7]. Таким образом, лабораторные исследования позволили выяснить лишь некоторые общие закономерности влияния ультразвука на снижение накипеобразования и являются необходимой предпосылкой для выбора ультразвукового оборудования. Очевидно, что для пр, чышлен-ных установок это оборудование должно подбираться таким образом, чтобы /' была не менее 12 Вт/м2

С этой точки зрения и подходили к проведению исследований на промышленных выпарных аппаратах В днища аппаратов II и III корпусов Корде

.невского сахарного завода были установлены по четыре магнитостриктора с преобразователями НЭЛ-4, которые запитывались от импульсных ультразвуковых генераторов УИГ-1 со стандартной резонансной частотой 21 КГц. Это обеспечивало интенсивность ультразвуковой обработки жидкости в аппаратах /^12 при схожих с лабораторными физическими свойствами растворов. На выходе сока из каждого корпуса были установлены специальные ловушки для очистки от взвешенных частиц накипи. Опыты велись в течение двух сезонов сахароварения. В первый сезон были проведены наладочные испытания, в которых отлаживалась работа ультразвукового оборудования и экспериментального стенда, используемого ранее [5] для исследований теплогидродинамических характеристик работы выпарной установки. Опыты велись круглосуточно на всех сменах при уровнях сока в аппаратах, равных 30—35% от длины кипятильных труб, которые поддерживались автоматическими регуляторами уровня. По данным серий опытов определялись среднесуточные значения скоростей циркуляции,тепловых потоков, температурных напоров, коэффициентов теплопередачи и термического сопротивления накипи. Прирост последнего находился по изменениям текущих среднесуточных значений коэффициентов теплопередачи. Подробно описание экспериментальной установки, методики измерений и обработки опытных данных приведено в [5]. В ходе наладочных испытаний установлено, что дЛя аппаратов с поверхлостью нагрева 800 м2 максимальный уровень звука при использовании указанного ультразвукового оборудования не превышал 14 Вт/м2. При этих значениях / и велись исследования во второй сезон сахароварения.

Рис. 3. Изменение ¿н в промышленных выпарных аппаратах. /, 3—11 корпус, 2, 4— III корпус; / ' /, 2

0; 3 — 14; 4-4 — 1,48.

13,6; м.*: /-1,22; 2-1,58; 3-1,25,

Изменение коэффициентов £н в аппаратах показано на рис. 3. Здесь же приведены значения полученные для этих корпусов без ультразвуковой обработки.. Из сопоставления этих зависимостей с зависимостями на рис. 2 видно, что они идентичны, хотя и разнятся по абсолютным значениям gн. В производственных условиях, как и предполагалось, влияние ультразвука на снижение на-кипеобразования несколько меньшее. Оптимальными значениями уровня звука должны быть, очевидно, / =15 -г 16, чего, к сожалению, в проведенных

исследованиях достичь не удалось. В результате обобщения экспериментальных данных, полученных на промышленных выпарных аппаратах, но с учетом влияния физических свойств упариваемой среды, найденного в лабораторных условиях, определена единая формула для расчета коэффициента на-кипеобразования

ён = 1,1 ((хот)0'5 ехр (—2,57—0,0515 /) X

Хт-0,55ц8'6

дающая погрешность в пределах ±5%.

Анализ полученных данных показывает, что ультразвуковая обработка жидкости в аппаратах при />15 может уменьшать интенсивность наки-пеобразования вдвое. Так, предельно допустимое значение = 0,6, свидетельствующее о том, что возможности повышения разности температур на выпарной станции завода исчерпаны, на неозвученных аппаратах достигается на 72-е сут, а на озвученном лишь на 145-е сут. Это означает, что период безостановочной (без выварки) работы аппаратов может составлять почти 150 Сут, т. е. весь производственный цикл сахароварения. Если учесть, что стоимость ультразвукового оборудования, его монтажа и эксплуатации не превышает 25 тыс. р., то среднегодовая экономия на одном заводе от внедрения ультразвуковой обработки соков составит около 125 тыс. р.

ВЫВОДЫ

1. Исследовано влияние уровня ультразвука на интенсивность накипеобразования при выпаривании сахарных растворов, позволившее установить опти мальную мощность ,озвучивания, равную /^15 Вт/м2'.

2. Получена формула для определения текущей эффективности работы выпарных аппаратов в уело виях накипеобразования.

3. Установлено, что при оптимальных уровнях звука промышленные выпарные аппараты могут работать весь производственный цикл без остановки выпарной станции на очистку от накипи. При этом достигаемая экономия может составлять около 125 тыс. р. на одной выпарной установке.

ЛИТЕРАТУРА 5. С //Пищ. пром-сть. —1987

■ № 3,-

CCCP.j ДР- /А

1 Маловичко С. 19—22.

2. Кокоцкий И. Ф // Пищ. пром-сть.—1968.—№ 4.— С. 36—40.

3. С к о р о б о г а т о в В. И. // Изв. вузов

Энергетика.—1970.— № 5.— С. 98—102.

4 Федоткин И. М., Чеп урной М. Н. и

Сахарн. пром-сть.—1975.— № 4.— С. 64—67.

5. Chepurnoi М. N., Shnider V. E., Berku ta A. D. Heat Transfer.-1979 —11,— № 2,— P 150 155.

Федоткин И. M., Сакаукас В. A., Чепур

ной М. H. // Пищ. пром.-сть.—1986.— № 32.-

С. 22—25.

7 Физическая акустика / Под ред. У Мезона.— М

Мир, 1969

Кафедра электрических

станций ■ Поступила 02.12.8

6.

И

Ко отно ной явля аппа Ан проц при дост; и не болеї щая

Тр

сталі ных плас ние й пред ляци Та ре кр; хара Иссл саха] ях п мощі

ЭКСП(

напо

пара

Ис

иску«

Кр і