ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОИ МАССООТДАЧИ ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА ИЗ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ НА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ АППАРАТОВ С РУБАШКОЙ
Авторы:
1.
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный экономический университет»
2.
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный аграрный университет»
3.
ФГБОУ ВПО «Уральский государственный экономический университет»
Тип:
Статья
Страницы:
с 103
по 107
Статус:
Опубликован
Получено:
25.09.2014
Одобрено:
25.09.2014
Опубликовано:
25.09.2014
Классификаторы:
УДК 663.01.011
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
Тепло- и массообмен, аппарат с рубашкой, число Нуссельта, коэффициент массоотдачи
Аннотация (русский):
В работе представлены результаты исследований процесса тепло- и массоотдачи при пленочной конденсации водяного пара из паровоздушной среды на плоской горизонтальной поверхности рабочей камеры рубашечного аппарата. Во введении приведены теоретические решения и расчетные формулы процесса конденсации в данных условиях, представленные в современной литературе. Выявлено отсутствие объективных данных по конденсации пара на плоских горизонтальных поверхностях теплообмена днищ варочных сосудов пищеварочных котлов, емкостных аппаратов, сковород с косвенным обогревом. Показана целесообразность проведения исследований. Рассмотрена методика проведения исследований, основанная на методе стационарного теплового потока. Представлен оригинальный экспериментальный стенд по исследованию процесса тепло- и массоотдачи при конденсации пара на плоской поверхности рабочей камеры модели пищеварочного котла. При обработке опытных данных по тепло- и массообмену в качестве единственно возможного определяющего характерного размера системы, входящего в число Нуссельта и критерий Архимеда, использовали величину , пропорциональную отрывному диаметру падающей капли конденсата. Проанализированы полученные результаты определения значений чисел Нуссельта при массоотдаче в данных условиях, приведена графическая интерпретация результатов опытов. Показано, что характер изменения экспериментальных данных, представленных на графике, хорошо согласуется с общеизвестными работами в данной области научных исследований. Рекомендована критериальная зависимость исследуемого процесса, позволяющая проводить объективные теплотехнические расчеты рубашечных аппаратов в условиях конденсации пара из парогазовой смеси на плоской горизонтальной поверхности.
В работе представлены результаты исследований процесса тепло- и массоотдачи при пленочной конденсации водяного пара из паровоздушной среды на плоской горизонтальной поверхности рабочей камеры рубашечного аппарата. Во введении приведены теоретические решения и расчетные формулы процесса конденсации в данных условиях, представленные в современной литературе. Выявлено отсутствие объективных данных по конденсации пара на плоских горизонтальных поверхностях теплообмена днищ варочных сосудов пищеварочных котлов, емкостных аппаратов, сковород с косвенным обогревом. Показана целесообразность проведения исследований. Рассмотрена методика проведения исследований, основанная на методе стационарного теплового потока. Представлен оригинальный экспериментальный стенд по исследованию процесса тепло- и массоотдачи при конденсации пара на плоской поверхности рабочей камеры модели пищеварочного котла. При обработке опытных данных по тепло- и массообмену в качестве единственно возможного определяющего характерного размера системы, входящего в число Нуссельта и критерий Архимеда, использовали величину , пропорциональную отрывному диаметру падающей капли конденсата. Проанализированы полученные результаты определения значений чисел Нуссельта при массоотдаче в данных условиях, приведена графическая интерпретация результатов опытов. Показано, что характер изменения экспериментальных данных, представленных на графике, хорошо согласуется с общеизвестными работами в данной области научных исследований. Рекомендована критериальная зависимость исследуемого процесса, позволяющая проводить объективные теплотехнические расчеты рубашечных аппаратов в условиях конденсации пара из парогазовой смеси на плоской горизонтальной поверхности.
Ключевые слова:
Тепло- и массообмен, аппарат с рубашкой, число Нуссельта, коэффициент массоотдачи
Тепло- и массообмен, аппарат с рубашкой, число Нуссельта, коэффициент массоотдачи
Введение Нередко в теплообменных аппаратах пищевой промышленности и общественного питания, в частности, в аппаратах с рубашкой, процесс конденсации пара протекает на плоской горизонтальной поверхности теплообмена. Такой поверхностью, например, являются днища варочных сосудов пищеварочных котлов, емкостных аппаратов, сковород с косвенным обогревом и т.п. Как известно [1-3], процесс конденсации пара в таких условиях происходит в присутствии неконденсирующихся газов. Поэтому интенсивность конденсации пара из парогазовой смеси и происходящего при этом переноса тепла зависит от последовательно протекающих взаимосвязанных процессов: подвода пара к поверхности конденсации, собственно процесса конденсации и переноса тепла через слой конденсированной фазы. В этом случае суммарное термическое сопротивление ∑R, величину, обратную результирующему коэффициенту теплоотдачи αсм, расчленяют на термическое сопротивление конденсата Rпл, термическое сопротивление фазового перехода Rф и диффузионное термическое сопротивление Rд [4]: ΣR = Rпл +Rф +Rд. (1) Для определения коэффициента теплоотдачи при конденсации чистого пара на горизонтальной плоской поверхности можно использовать теоретические решения и расчетные формулы работы [5]. Однако определение диффузионной составляющей процесса в таких условиях наталкивается на определенные трудности. Учитывая, что конвективный перенос от парогазовой смеси к конденсату пренебрежимо мал в сравнении с выделяющейся теплотой фазового перехода, термическое сопротивление подвода пара к поверхности конденсации можно определить по формуле: , (2) где tп,о, pп,о - соответственно температура и парциальное давление пара в основной массе парогазовой смеси; tп,пов, pп,пов - соответственно температура и парциальное давление пара на границе раздела фаз; r = f(tп,пов) - теплота фазового перехода; βр - коэффициент массоотдачи от парогазовой смеси к поверхности конденсатной пленки. Отсутствие объективных данных по массо- и теплоотдаче при конденсации пара из парогазовой смеси на плоской горизонтальной поверхности обусловило целесообразность проведения дополнительных исследований. Объект и методы исследования Решение поставленной задачи проводили опытным путем. Основой экспериментального стенда, принципиальная схема которого представлена на рис. 1, являлся варочный сосуд с горизонтальным днищем 1 диаметром 380 мм, обогреваемый насыщенным водяным паром снизу. Рис. 1. Схема экспериментального стенда Генерация пара осуществлялась в парогенераторе 2 с ТЭНами 3, прикрепленном к днищу варочного сосуда. В опытный стенд также вошли: калориметр 4 с системой водоснабжения 5, предназначенный для определения теплового потока, система термометрии, служащая для измерения температур парогазовой смеси и горизонтальной поверхности теплообмена, 8, 13, 14, электрическая схема с приборами 6, позволяющая регулировать тепловую мощность, система откачивания воздуха из паровой полости 7. Измерение температуры парогазовой смеси и днища варочного сосуда проводилось с помощью термопар 8 с хромель-копелевым кабелем диаметром 0,2 мм, термостатированием свободных концов 15 и потенциометром типа ПП-63 поз. 9 класса точности 0,05. Экспериментальные исследования процесса теплоотдачи из парогазовой смеси базировались на методе стационарного теплового потока как наиболее полно отвечающем требованиям поставленной задачи [6]. С момента наступления стационарного режима работы стенда, определяемого по автоматическому потенциометру КСП-4 поз. 14, производили фиксацию температур горячих спаев термопар и термометров 13, измеряли массовый расход воды через калориметр с помощью мерного сосуда 10 и весов 11, а также определяли давление в парогазовой области по манометру 12. Измерения проводили при различной подводимой тепловой мощности. Результаты и их обсуждение Обработку опытных данных проводили в соответствии с рекомендациями работы [7]. Тепловой поток, передаваемый через горизонтальное днище и воспринимаемый калориметром, определяли по формуле Q = Gв · Cрв · (tв2 -tв1), (3) где Gв - массовый расход воды через калориметр; Cрв - удельная теплоемкость воды при постоянном давлении; tв1, tв2 - соответственно температура воды на входе в калориметр и выходе из него. В этом случае результирующий коэффициент телоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси на горизонтальной поверхности варочного сосуда рассчитывали с помощью закона Ньютона-Рихмана: (4) где F - площадь днища варочного сосуда; tп,о - среднеобъемная температура основной массы парогазовой смеси; tс - средневзвешенная температура поверхности днища со стороны паровой полости. Как и в работе [2], при обработке опытных данных по массообмену использовали систему критериев вида , (5) где - критерий Нуссельта диффузионный; - критерий Архимеда; - концентрация воздуха в основной массе парогазовой смеси; - безразмерная разность парциальных давлений пара. В представленных выше критериях входят физические величины, расшифровка и методика определения которых приведены ниже. 1) Коэффициент массоотдачи βр определяли по формуле: , (6) где - плотность потока массы (пара). Непосредственное измерение температуры на границе раздела фаз наталкивается на значительные трудности, поэтому значение tп,пов, по которому в расчет вводили pп,пов, определяли путем итерационных вычислений из соотношения , (7) где αпл - коэффициент теплоотдачи при конденсации чистого пара. Для определения коэффициента теплоотдачи при конденсации чистого пара на плоской горизонтальной поверхности использовали критериальное уравнение, представленное в работе [3]: , (8) где λ, σ, υ, a, с, γ - соответственно коэффициенты теплопроводности, поверхностного натяжения, кинематической вязкости, температуропроводности, удельная теплоемкость и удельный вес конденсата. При совместном решении уравнений (7) и (8) физические константы в уравнении (8) относили к средней температуре пленки конденсата . Согласно работе [5], величина , пропорциональная отрывному диаметру падающей капли конденсата, является единственным определяющим размером системы. Поэтому при обработке опытных данных по тепло- и массообмену в качестве характерного размера l, входящего в критерии Nuд и Ar, также использовали величину . 2) Коэффициент диффузии Dp, отнесенный к градиенту парциального давления пара, рассчитывали по следующей зависимости: , (9) где D - концентрационная диффузия водяного пара в воздух; Rп - газовая постоянная водяного пара; Tп,о - абсолютная температура пара в основной массе парогазовой смеси, получаемая экспериментально. В общем случае суммарный перенос вещества путем молекулярной диффузии является следствием концентрационной диффузии, термической диффузии и бародиффузии. Однако, согласно [4], два последних вида переноса пренебрежимо малы в сравнении с первым, поэтому в расчет Nuд вводили только концентрационную диффузию, определяемую зависимостью [8]: , (10) где D0, p0, T0 - соответственно коэффициент диффузии, давление и температура при номальных физических условиях; pсм - давление парогазовой смеси в условиях опыта. Численные значения величин D0 и n были приняты в соответствии с рекомендациями [8]. 3) Плотность смеси на границе раздела фаз ρсм,пов и основной массы смеси ρсм,о определяли по формулам: , (11) , (12) где Tп,пов - абсолютная температура пара на границе раздела фаз; - концентрация воздуха на границе раздела фаз. 4) Парциальное давление неконденсирующегося газа (воздуха) в основной массе смеси pг,о и на границе раздела фаз pг,пов находили на основании закона Дальтона: . (13) 5) Кинематическую вязкость основной массы смеси υсм,о определяли из соотношения: , (14) где ρсм,о - плотность основной массы парогазовой смеси; μсм,о - динамический коэффициент вязкости смеси. Величину μсм,о рассчитывали по следующей формуле [4]: , (15) где μп, μг - соответственно динамический коэффициент вязкости пара и воздуха, выбираемые по температуре tп,о. Результаты обработки опытных данных, приведенные на рис. 2, представляли в виде следующей зависимости: . (16) Рис. 2. Массообмен при конденсации пара из парогазовой смеси на горизонтальной плоской поверхности Согласно работам [2,9], показатель степени у критерия Ar в зависимости (16) был принят 0,25. Как видно из рис. 2, опытные точки в логарифмической системе координат с относительной ошибкой 4,5 % укладываются около прямой линии, что не превышает погрешность опытов. В результате математической обработки экспериментальных данных для процесса массообмена получена критериальная зависимость: . (17) Здесь следует отметить, что показатели степени у εг,о и Пg хорошо согласуются с данными работ [5, 10]. Для оценки полученных результатов экспериментальный коэффициент теплоотдачи αсм (4), сравнивали с его расчетным значением, полученным по формуле: . (18) Результат проверки признан удовлетворительным. Таким образом, с помощью полученной зависимости (17), можно проводить объективные теплотехнические расчеты процесса конденсации пара из парогазовой смеси на плоской горизонтальной поверхности.аппаратов.с.рубашкой.
1. Минухин, Л.А. Расчеты сложных тепло- и массообмена в аппаратах пищевой промышленности / Л.А. Минухин. - М.: Агропромиздат, 1986. - 174 с.
2. Решетников, И.Ф. Процессы в греющих полостях и рабочих объемах пищеварочных котлов: автореферат дисс. … канд. техн. наук / Решетников И.Ф. - МИНХ им. Г.В. Плеханова, 1983. - 23 с.
3. Шихалев, С.В. Моделирование варочного оборудования предприятий общественного питания / С.В. Шихалев [и др.] - М-во образования и науки Российской Федерации, Уральский гос. экономический ун-т, 2011. - 141 с.
4. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.
5. Попов, В.Д. О теплоотдаче при конденсации пара на горизонтальной поверхности / В.Д. Попов // Тр. Киевского технол. ин-та пищ. пром-сти им. А.И. Микояна. - 1951. - Вып. 11. - С. 87-97.
6. Осипова, В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена: учеб. пособие для вузов / В.А. Осипова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1979. - 320 с.
7. Алибеков, А.К. Практика применения планирования эксперимента: для инженеров и научных работников / А.К. Алибеков, М.А. Михалев. - Махачкала: ДГТУ, 2013. - 126 с.
8. Кафаров, В.В. Основы массопередачи / В.В. Кафаров. - М. : Высшая школа, 1962. - 655 с.
9. Берман, Л.Д. Обобщение опытных данных по тепло- и массообмену при конденсации пара в присутствии неконденсирующегося газа / Л.Д. Берман // ТВТ. - 1972. - № 3. - С. 587-594.
10. Берман Л.Д. Расчет поверхностных теплообменных аппаратов для конденсации пара из паровоздушной смеси / Л.Д. Берман, С.Н. Фукс // Теплоэнергетика. - 1959. - № 7. - С. 74-83.
