CC BY
14
УДК 664.002.5(075)
Бшонога Ю.Л., д.т.н., професор, Максисько О.Р., асистент © Лье1еський нацюнальний утеерситет еетеринарног медицины та бютехнологп
iмет С.З.Гжицького
ВПЛИВ ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН (ПАР) НА КОЕФЩ1СНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧ1 КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМ1ННИКА
Розрахоеано коефщент теплопередачi нормалiзоеаного кожухотрубного теплообмтника при еикористант ПАР до еоди (еода +(0,70... 0,712мас.% натрт алкансульфонату) та молока (молоко+(0,1...0,15) мас.% олп виноградних юсточок). Показано, що при еикористанш ПАР коефщент теплопередачi збыьшиеся на 31,0% .
Ключоei слова: приграничний ламтарний (Л) шар, середня тоещина приграничного ламтарного шару, кожухотрубний теплообмтник, поеерхнеео-актиеш речоеини (ПАР), коефщент теплопередач, ттенсифжащя.
Вступ. Головна запорука жштeдiяльностi сучасного переробного тдприемства - це проведення технолопчних процеав з максимальною продуктившстю i мшмальними трудовими таергетичними затратами. Значш енерговитрати в переробнш промисловост вщбуваються на стади тепловоз' обробки продукив, де проходить на^вання i охолодження сировини, допомiжних матерiалiв i середовищ.
Bri цi процеси, вiдбуваються у теплообмшнш апаратурi на межi стiнка трубопроводу-потж (тверде тiло-рiдина), де концентруеться до 98 % термiчного опору системи [1]. Тому на сьогодшшнш день питання штенсифжаци теплообмiнних процесiв е актуальним, про що свiдчить i аналiз останнiх наукових публiкацiй.
Один з традицшних способiв iнтенсифiкацiï теплообмiну - збiльшення швидкостi руху теплоноспв в апаратi. Однак при зростанш швидкостi потоку в 2 рази коефщент теплопередачi зростае в 1,75 рази, а гiдравлiчний опiр зростае в 3,4 рази, що призводить до невиправданого зростання витрат електроенерги на привiд [2]. Iнтенсифiкують процес теплообмiну, використовуючи вихровi зони, тобто на поверхш розмiщують виступи або впадини - турбулiзатори, якi впливають на характер потоку, а значить i на штенсившсть теплоперенесення [3]. При вимушенш конвекцiï теплообмiн штенсиф^ють використанням шорстких поверхонь [4]. Як метод штенсифжацп теплообмiну широко використовуеться пластинчасте ребрення труб, ребрення плоских поверхонь, ребрення пучюв труб [5]. Серед методiв iнтенсифiкацiï теплообмiну е таю, як вiбрацiя поверхнi теплообмiну та потоку [6], перемiшування рщини [7]. Iнтенсифiкуючий вплив електростатичних полiв при ламiнарних режимах описано в робой [8]. Biдомi способи штенсифшаци теплообмiну, наприклад,
© Бшонога Ю.Л., Максисько О.Р., 2009
191
труба з шорсткими поверхнями iз стрiчковим завихрювачем [9], використання акустичних коливань шорсткого цилiндра [10], використання вiбрацiй труб з зовшшшм оребренням [11], дiя псевдозрщження на оребренi труби [12]. У вЫх цих вiдомих роботах домiнуючим пiдходом були змiни геометри поверхш. Недолiком цих вiдомих способiв е, як правило, збiльшення загального гiдравлiчного опору системи, додаткових витрат на прокачування носпв, 1х перемiшування, додатковi витрати на виготовлення рiзного роду турбулiзаторiв, необхiднiсть створення додаткового обладнання для забезпечення роботи електромагнiтних i акустичних полiв i витрати на це обладнання.
Згщно з науковою концепцiею [13], рух рiдин в трубопроводах чи апаратах необхщно розглядати з врахуванням ди сил поверхневого натягу в приграничному ламшарному шарi на границi контакту тверде тшо-рщина. В роботi [14] була виведена формула для розрахунку середньо! товщини приграничного Л шару, який виникае в пристшнш дiлянцi турбулентного потоку рщкофазних теплоносив:
ё2
5=_^ецЛ
2oсоs9p
— (1)
Кгр
де о-коефщент поверхневого натягу на межi тверде тiло-рiдина, Н/м; соб9 - гщрофшьшсть поверхнi стiнки; р -густина рiдини, кг/м3 ; ё - дiаметр
живого перерiзу потоку, м; Х-коефщент Дарсi;; I -довжина трубопроводу, м; ц- коефiцiент динамiчноl в'язкост рiдини, Па с; КТ- коефщент турбулiзацil Л шару.
В роботах [15-17] запропоновано спосiб пiдвищення загального коефщента теплопередачi теплообмшно! апаратури шляхом введення в теплоносiй малих кшькостей ПАР природного походження. Iнтенсифiкуючий вплив ПАР - це змша фiзико-хiмiчних властивостей технологiчного середовища, а саме зниження коефщента поверхневого натягу рщини на межi стiнка теплообмiнника-робочий теплоносш, коефiцiента динамiчноl в'язкостi рiдини, косинуса кута змочування.
Результати дослщжень. Нами було розраховано, як змшюеться коефщент теплопередачi К нормалiзованого кожухотрубного теплообмшника (дiаметр кожуха 0= 800 мм, дiаметр труби ^=25х2 мм, число ходiв г=6, загальна кiлькiсть труб п=384, довжина труби Ь=6 м , ^мтр=7,0^10-2 м2 -площа перерiзу потоку в мiжтрубному просторi, маса теплообмшника М=680 кг) для охолодження молока при введенш в теплоноси оптимально! кiлькостi ПАР. В якост холодоагента використовувалась льодяна вода. Для води в ролi ПАР вводили оптимальну концентрацiю 0,712 мас.% натрш алкансульфонату [18]. Оскiльки рослиннi оли на межi роздiлу фаз рщина-газ, рiдина-тверда поверхня, рiдина-рiдина ведуть себе як поверхнево-активш речовини до компонент молока [19], i при оптимальних концентрацiях здатнi понижувати коефiцiент поверхневого натягу [20], то до молока додавали оптимальну кшьюсть оли
192
виноградних юсточок. Молоко температурою =350 С i витратою Gм= 15 л/с охолоджувалось до температури t2м=130С. В трубний просир направляли гарячий носiй (молоко), в мiжтрубний-воду. Розрахунок i вибiр теплообмiнника (14 пунктiв) здiйснювався за класичною схемою [21]. З класичного розрахунку можна бачити, що зменшення коефiцieнта поверхневого натягу теплоносiя тд впливом ПАР нiяк не вщображене в рiвностi (2) для визначення загального коефiцieнта теплопередачi, нi в критерiальних рiвняннях для визначення критерш Нуссельта, а вiдповiдно i коефщенив тепловiддачi а1, а2
Кх- 1 8 1 (2)
—+-ст+—
« Кт «2
де «1, «2 - коефiцieнти тепловiддачi вщ холодного i гарячого носiя вщповщно, Вт/м2' град;
8 . 2'
—^ - термiчний опiр стшки теплообмiнника, Вт/м ' град.
о
ст
В роботi [22] нами запропонована формула, яка дозволяе визначити загальний коефiцiент теплопередачi К через товщини ламiнарних плiвок i товщину роздшьно! стiнки мiж теплоносiями, оскшьки 1х опори складають 98% загального опору системи:
К8--т1--(3)
8 с <? с 1 /
8пл1 , ст . 8пл2
¿пл1 ¿ст ¿л 2
^ 1 Ö 2
де -пл-, ——— терм1чн1 опори Л пл1вок холодного i гарячого теплонос1я.
¿пл 1 ¿пл 2
вщповщно,Вт/м2' град.
13. Критерш Рейнольдса для молока в трубному простора Re^ = 9113,76.
14. Критерш Рейнольдса для води в м1жтрубному простора Ree = 14037,62 .
15. Товщина Л шару молока в трубному простор1 за формулою (1)
(21х10-3)2 ¡2х5,269х10-2 х0,919x1027,3
, 9113,76 х1,56 x1Q^V 3,23х10-2 х 6 , „о т-4
5М=-^7376-= 1,78-10 м
2320
16. Товщина Л шару води в м1жтрубному простор!
(3,85х10-2)2 /2х7,422х10-2 х0,866х1000
, 14037,62х1,31х10-3 V 2,946х10-2 х6 o^.in-4
5=-1403762-= 3,62"10 м
2320
17. Коефщент теплопередач1 за формулою (3 ) р1вний:
193
1 Вт Кs =-т-= 915,93-
S -4 3 4 2 тг
1,78X1G 2X1G 3,62x 1G"4 м -К
51,16x 1G"2 17,5 57,5 xlG-2 Потажемо, як змiнився коефiцieнт теплопередaчi цього ж теплообмшнита при додaвaннi оптимгльних концентрaцiй ПАР в теплоносiï.
Критерш Рейнольдсa для води в мiжтрyбномy просторi при додaвaннi (G,7GG... G,712) мaс.% нaтрiй aлкaнсyльфонaтy: Ree = 14428,62 .
Середня товщита Л шaрy води в мiжтрyбномy просторi при додaвaннi (G,7GG... G,712 мaс.% )нaтрiй aлкaнсyльфонaтy
J 3,85 xlG-2 J2
_ 14428,62 x 1,2745 x1G-3\ o=
2x3,4G6xlG-2 xG,971x1GGG
2,88xlG-2 x6 2.3 1G-4
-= 2,53x1G м
14428,62 232G
Критерiй Рейнольдсa для молота в тру6ному просторi з додaвaнням до нього (G,1...G,15 ) мaс.% олп виногрaдних кiсточок: Reм = 111G7,39
Середня товщинa Л шaрy молота в трубному просторi при додaвaннi(G,1.„G,15 ) мaс.% олп виноградних кiсточок:
121x1G-32
J21x1G-3J
111G7,39 x1,28 xlG-3
2 x 5,G2 xlG-2 x G,876 x1G3G
3,G78xlG-2 x6 , „„ in-4 -= 1,43-1G 4м
Я _
м 111G7,39
232G
Зaгaльний коефiцieнт теплопередaчi теплообмiнникa при додaвaннi в теплоносп оптимгльних концентрaцiй ПАР :
К =--А-1-3-ZT = 1199,74 Вт/2к ,
S 2,53• 1G 4 + 2-1G + 1,43-1G 4 /м -К
57,5-1G-2 17,5 51,16• 1G 2
Зaгaльний коефщент теплопередaчi кожухотрубного теплообмiнникa 1199,74 - 915,93
----— x 1GG% = 31, G % .
915,93
Резyльтaти розрaхyнкy зводимо в тaблицю.
194
Таблиця
Змша теплофтнчннх параметр1в теплоносй'в пщ впливом ПАР_
Вода + Молоко +
Параметри Вода Молоко (0,700...0,712)мас.% натрш алкансульфонату (0,1...0,15)мас. % олп виноградних шсточок.
д8 , Па-с 1,31 10-3 1,56 10-3 1,2745 10-3 1,287 10-3
с, Н/м 7,422 10-2 5,26 10-2 3,406 10-2 5,02 10-2
cos0 0,866 0,919 0,971 0,876
Кг 14037,62 9113,7 14428,4 11107,39
$пл , м 3,62 10-4 1,78 10-4 2,53 10-4 1,43-10-4
Зпл1 М'К Лпл/ Вт 6,29-10-4 3,48 10-4 4,4 10-4 2,795 10-4
Вт К — м 2 К 915,93 1108,38
Як видно з таблищ, при введенш ПАР коефiцieнти поверхневого натягу теплоносй'в зменшуються, а це мiшмiзуе товщину приграничного Л шару у системi стiнка трубопроводу-теплоносiй, а зi зменшенням товщини приграничного Л шару швидюсть у ньому зростае. Термiчний опiр приповерхневого Л шару зменшуеться у 1,43 рази при додаванш до води натрiй алкансульфонату i в 1,25 рази при додаванш до молока оли виноградних кiсточок. Мiнiмiзацiя теплового опору - це тдвищення загального коефiцiента теплопередачi теплообмiнника на 31,0%.
Додатковим позитивним ефектом е те, що основним джерелом фосфатидiв для харчово! промисловост е рiдкi рослиннi олп: соева, соняшникова, лляна, арахiсова, олiя виноградних юсточок та iншi. Медико-бюлопчш дослiдження показали, що харчовi рослинш фосфатиди мають високу бiологiчну актившсть, яка проявляеться у нормалiзацil лшщного обмiну, функцiонального стану печiнки, шдвищенш антиоксидантних функцiй органiзму [23].
Висновки.
1. Оптимальнi концентрацп ПАР, зокрема натрш алкансульфонату до води та олп виноградних кiсточок до молока зменшують товщину приповерхневого Л шару в системi потiк-стiнка теплообмiнника, а значить зменшують його термiчний отр в 1,43 та 1,25 рази вщповщно.
2. Зменшення термiчного опору приграничного Л шару штенсиф^е проходження юлькост тепла i пiдвищуе загальний коефiцiент теплопередачi теплообмiнника на 31,0%.
195
Лггература
1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя /Пер. с нем. - М. : Наука, 1974. - 711с.
2.Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. - М.: Энергоиздат, 1986. - с. 18.
3.Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. М.:Машиностроение, 1981. - 205 с.
4. Берглес, Ли, Микитич. Теплоотдача в трубах с шероховатыми стенками при завыхренном течении, создаваемом скрученными лентами //Теплопередача. 1969. -№3. - с. 169-173.
5. Дубровский Е.В., Васильев В.Я. Результаты экспериментального исследования суммарных потерь давления воздуха на входе и выходе из пластинчато-ребристого теплообменника, использующего по воздушной полости рассеченные поверхности// В сб. тезисов III Всес. научн.-техн конф. «Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов», М.: МАИ.- 1985. - с. 97.
6. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. - М.: Наука, 1982.- 328 с.
7. Антуфьев В.М. Эффективность различных форм конвективных поверхностей нагрева. -М.-Л.: Энергия, 1966.- с. 186.
8. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках.- М.: Наука, 1982.- 328 с.
9. Богданова В.В. Ламинарный пространственный пограничный слой с продольным и поперечным перепадом давления //Изв. АН СССР. Механика и машиностроение. -1960.- №1. -с. 12-19.
10. Богданова В.В. Универсальные уравнения теории пространственного пограничного слоя //Изв. АН СССР. Механика и машиностроение.- 1968.- №6. -с. 32-42.
11. Дородницын А.А. Пограничный слой в сжимаемом газе //Прикладная математика и механика. -1942. -Т.6. - №6. - С.449-486.
12. Гребер Г., Эркс С., Григуль У. Основы учения о теплообмене. М.: ИЛ., 1958.
13. Бшонога Ю.Л. 1нтенсифжащя та оптимiзацiя тепломасообмшних процеЫв при виробнищв органопрепараив i переробщ вторинно'' сировини м'ясокомбшаив: Автореферат дис. ... доктора техн. наук. - Одеса, 2006. - 36 с.
14. Бшонога Ю.Л., Максисько О.Р., Цдж Б.Р., Варивода Ю.Ю. Пщвищення коефщента теплопередачi теплообмшно'' апаратури при використанш ПАР //Науковий вюник Львiвськоï державное' академп ветеринарно'' медицини iменi С.З. Гжицького. - 2004. - Т.6, №2. - Ч.3. - С. 126131.
15. Бшонога Ю.Л., Максисько О.Р. Пщвищення коефщента теплопередачi кожухотрубного теплообмшника при тепловш обробщ молока //Шсник Харювського нащонального техшчного ушверситету сшьського господарства iменi Петра Василенка. -2005. - Випуск 38. - С. 82-85.
196
16. Бшонога Ю.Л., Максисько О.Р. Пщвищення коефщента теплопередачi теплообмшно1' апаратури за умов додавання поверхнево-активних речовин (ПАР) до теплоноспв //Вiсник Харкiвського державного ушверситету харчування та торгiвлi «Прогресивш техшка та технологiï харчових виробництв ресторанного господарства та торпвл12006.-В.1(3).-С.174-181.
17. Пат. 42080, Украша, МПК F28F 1/24; F28B 1/00. Спосiб штенсифжацп теплопередачi в системi холодоносiй (вода) - стшка теплообмiнника-молоко/ Кравцiв Р.Й. Бшонога Ю.Л., Максисько О.Р., Зашчковська Л.В. Ззаявл. 29.12.2008; опубл. 25.06.2009, Бюл.№12.
18. Бiлонога Ю.Л., Максисько О.Р. Змша гiдромеханiчних i теплофiзичних характеристик теплоносiя в приграничному шарi пiд дieю поверхнево-активних речовин (ПАР) //Ж. 1нтегроваш технологiï та енергозбереження. - 2009. - № . - С. 121-126 .
19 Бшонога Ю.Л., Максисько О.Р Обгрунтування вибору рослинних олш в якост поверхнево-активних речовин (ПАР) до компонент молока //Нау^ працi ОНАХТ. - 2009. -Випуск № 35. -Т.-2.-С. 158-164.
20. Бшонога Ю.Л., Максисько О.Р Оптимiзацiя концентрацiй рослинних поверхнево-активних речовин (ПАР) в молощ для штенсифшаци теплопередачi в системi стшка теплообмшника-потж //Науковi працi ОНАХТ. - 2008. -Випуск № 32. -С. 200-204.
21. Основные процессы и аппараты химической технологии (Пособие по проектированию) Под ред. В.Н. Дытнерского М. "Химия".- 1991. - 495 с.
22. Бшонога Ю.Л., Максисько О.Р., Щж Б.Р., Варивода Ю.Ю. До питання розрахунку коефщента теплопередачi теплообмiнноï апаратури. //Науковий вюник Львiвськоï державноï академiï ветеринарноï медицини iменi С.З. Гжицького.-2005.-Т.7(№2).-Ч.6.-С. 3-8.
23. Булгаков А.С. Пищевые добавки: Справочник.- СПб. Vt, 1996. -350 с.
Summary Y.L. Bilonoha, O.R. Maksysko
THE INFLUENCE SURFACE-ACTIVE SUBSTANCES (SAS) ON COEFFICIENT OF HEAT-TRANSFER CASETUBE HEAT EXCHANGE
It was calculated the coefficient of heat-transfer of normalized casetube heat exchange at using surface-active substances (SAS) to water (water+0,70... 0,712 mass/percent natrium alcansulfonate) and to milk (milk+0,1...0,15 mass/percent oil of grapes bone). It was shown, that during SAS using, the coefficient of heat-transfer increased into 31,0 percent.
Стаття надшшла до редакци 8.09.2009
197
