В книге приведены результаты исследований различных способов интенсификации теплообмена в аппаратах пищевых производств, обусловленные изменением характеристик течения жидкости у теплообменных поверхностей. Определены эффективные режимы процессов в аппаратах, в которых для интенсификации теплообмена используются вдувание воздуха в поток жидкости, вынужденные пульсации скорости и давления, а также пленочное течение жидкости по поверхности нагрева.
Установлено, что при применении исследованных способов интенсификации процессов теплообмена значительно увеличивается эффективность работы оборудования, снижаются или исключаются дополнительные затраты энергии и накипеобразо-вание, уменьшаются потери из-за термического разложения пищевых продуктов и повышается их качество.
Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников, занимающихся исследованиями интенсификации теплообмена в аппаратах пищевых производств.
Таблиц 24, иллюстраций 56, список литературы — 75 названий.
ВВЕДЕНИЕ
На пищевых производствах многочисленные технологические процессы сопровождаются подводом и отводом тепла и весьма широкое применение находят различные тешюобменные аппараты. Для увеличения мощности пищевых предприятий тешюобменные аппараты должны быть эффективными, компактными, иметь небольшую металлоемкость и не оказывать отрицательного влияния
на качество продуктов.
Интенсификация теплообмена в ряде случаев способствует решению всех этих задач. Она дает возможность увеличить производительность аппаратов, уменьшить их габариты и металлоемкость, сократить производственные площади и размеры промышленных зданий. Это приводит к уменьшению эксплуатационных расходов и издержек по ремонту, увеличению выработки на одного работающего и росту фондоотдачи.
В ряде случаев интенсификация теплообмена сопровождается также сокращением затрат энергии. Интенсификация теплопередачи в теплообменных аппаратах позволяет использовать для их обогрева теплоносители более низкого потенциала. Для обогрева производственных теплообменников благодаря интенсификации процесса в них в ряде случаев может быть применен, например, вторичный пар последних корпусов выпарных станций или использовано тепло горячих сточных вод.
Кроме того, интенсификация теплообмена приводит к сокращению времени пребывания пищевых продуктов в зоне обогрева, и благодаря этому снижаются потери продуктов; сохраняются витамины и ценные летучие вещества.
Интенсификация теплообмена, особенно, если она сопровождается снижением накипеобразования, стабилизирует температурный режим работы аппаратов, улучшает качество технологической обработки продуктов и теплоиспользование.
Таким образом, в пищевой промышленности интенсификация теплообмена равносильна интенсификации технологических процессов, так как при этом не только увеличивается производительность и обеспечивается компактность аппаратуры, но и существенно повышается качество выпускаемой продукции.
Интенсификация производственных процессов в целом в настоящее время является общепризнанным направлением технического прогресса. Изыскание новых способов интенсификации процессов и разработка эффективных тешюобменных аппаратов являются актуальными проблемами и имеют большое народнохозяйственное значение. , В прошлом ряд отраслей пищевой промышленности были ведущими в области утилизации тепла, рационального использования теплоносителей низких потенциалов и энергетического совершенства теплообменной аппара-" туры. Со временем бурный рост энергетики, металлургии, химической промышленности привел к разработке новых еще более совершенных аппаратов и к внедрению прогрессивных способов ведения процесса.
Разработка новых 'конструкций теплообменных аппаратов, установление рациональных режимов их эксплуатации, модернизация и улучшение работы существующих аппаратов возможны только на основе данных, полученных при всесторонних исследованиях процессов, протекающих в аппаратах.
В книге рассматриваются активные, как мы их назвали, или «режимные», методы интенсификации теплообмена в аппаратах пищевых производств, обусловливающие изменение гидродинамической обстановки, режимов течения жидкости у теплообменных поверхностей, режимных характеристик течения (скорости, плотности, вязкости, гидравлического режима, эквивалентного диаметра и пр.) и вызывающие дополнительную турбулизацию потока, интенсифицирующую перенос массы и энергии.
Активные, или режимные, методы интенсификации до сих пор не получили распространения в промышленности. Одна из причин этого — недостаток исследований в этой области. Другой причиной можно считать господство мнения о том, что применение режимных методов интенсификации связано с затратами дополнительной энергии, которые не окупаются.
Как показали проведенные нами исследования, многие режимные методы интенсификации являются эффектив-
гл
ними, так как они способствуют снижению накипеобра-зован'ия и на их осуществление не требуется дополнительных затрат энергии. Во многих случаях наряду с экспериментальными исследованиями проводились аналитические исследования, способствующие объяснению полученных результатов и улучшению обобщений.
Эффективность рассмотренных в книге способов интенсификации теплообмена устанавливалась с учетом: 1) степени интенсификации; 2) затрат энергии на перемещение продукта в аппарате и на осуществление интенсификации; 3) влияния интенсификации на технологическую обработку и качество продукта, на процесс на-кипеобразования, на теплоиспользование, расход пара и топлива.
В связи с этим наряду с рассмотрением вопросов теплообмена в каждом случае, по возможности, нами приводятся данные по гидравлическим сопротивлениям, показатели энергетического совершенства аппарата, технологические показатели и данные по накипеобразова-нию.
Развитие прогресса в области теплообменной аппаратуры на предприятиях пищевой промышленности затрудняется в настоящее время из-за недостатка специальной, литературы. Предлагаемая книга позволит в некоторой степени восполнить этот пробел.
В книге использованы результаты многолетних работ, проведенных в Киевском технологическом институте пищевой промышленности (КТИППе) под руководством и при непосредственном участии одного из авторов книги д-ра техн. наук И. М. Федоткина.
В исследованиях принимали участие кандидаты техн. наук Л. П. Заруднев и Д. Г. Юдицкий, А. С. Заец, А. С. Дыченко, В. Р. Фирисюк, инженеры М. Т. Еремин и В. С. Липсман.
Авторы выражают благодарность д-ру техн. наук, проф. В. Н. Стабникову, д-ру техн. наук Н. А. Буренкову, д-ру техн. наук О. Г. Лунину за помощь, оказанную ими при подготовке рукописи к печати.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр. Введение.................'...'. 3
Глава I. Методы интенсификации теплообмена, особенности рабочего процесса в аппаратах пищевых производств и их аналитического расчета .................. 6
Краткая характеристика режимных методов интенсификации.
Метод' комплексной интенсификации...... . . . 6
Критический анализ различных режимных методов интенсификации теплообмеца............... 10
Специфика процессов теплообмена при тепловой обработке
пищевых продуктов................ 13
Теплообменные аппараты с использованием режимных методов интенсификации теплообмена.......... 15
Воздухожидкостные теплообменники....... . 17
Пульсационные теплообменники.......... 23
Тонкопленочные теплообменники .......... 24
Спиральное пленочное течение жидкости внутри труб . . 26 Некоторые предложения по интенсификации теплообмена
в выпарных аппаратах............... 26
Наклонный пленочный выпарной аппарат пластинчатого
типа..................... 26
Покрытие поверхности теплообмена пленочных аппаратов
различными облицовочными материалами....... 27
Тонкопленочный выпарной аппарат со струйным орошением поверхности нагрева .............. 27
Диафрагмирование кипятильных труб ........ 28
Опускное движение жидкости в трубном пучке аппарата . 29 Включение пульсатора в циркуляционный контур выпарного аппарата................. 30
Подсос воздуха в кипятильные трубы........ 30
Недостатки применяемой методики расчета теплообменников пищевых производств и особенности рабочего процесса
в них..................... 30
Методика аналитического расчета теплообменников пищевых производств ................ 33
Глава II. Интенсификация теплообмена путем пульсацион-
ных возмущений основного потока жидкости....... 35
Исследования теплообмена, сопротивления и затухания пульсаций ................... 35
Стр.
Способы создания в жидкости механических колебаний . 35 Методика исследований и экспериментальная установка . 36
Пульсационный эффект.............. 39
Кавитация при пульсациях............ 44
Специфика гидравлики пульсирующих течений..... 46
Стабилизированное и нестабилизированное пульсирующее
течение.................... 47
Основные параметры нестабилизированного пульсирующего течения.................. 48
Уравнение Бернулли для пульсирующего течения не^жи-
маемой жидкости в трубах............ 50
Пульсационный перепад давлений при нестабилизированном пульсирующем течении жидкости в трубах .... 52 Критериальные зависимости для инженерных расчетов гидравлических сопротивлений и теплообмена при пульсирующем течении жидкости в коротких трубопроводах .... 53
Коэффициенты гидравлических сопротивлений..... 53
Связь между коэффициентом затухания и гидравлическими сопротивлениями.........,..... 59
Критериальные зависимости для расчета локального теплообмена при пульсирующем турбулентном течении жидкости в горизонтальных трубах........- . . 61
Анализ критериальных зависимостей для локальной теплоотдачи при пульсирующем течении жидкости в горизонтальной трубе................ 63
Влияние частоты пульсаций на интенсивность локального теплообмена................. 64
Частотная функция............... 66
Методика инженерных расчетов пульсационных теплооб-
менных аппаратов пищевых производств........ 66
Расчет коэффициента затухания пульсаций ....... 67
Расчет перепада давлений ............ 69
Определение кавитационных режимов ........ 69
Инженерные расчеты пульсационных подогревателей и выбор оптимального режима их работы ........ 70
Результаты промышленных испытаний пульса'ционного теплообменника на Бовшевском сахарном заводе...... 77
Эффективность пульсационного подогревателя ..... 79 Накипеобразование в пульсационных теплообменниках . . 82
Глава "ill. Интенсификация теплообмена путем вдувания воздуха в поток жидкости.............. 86
Результаты исследований теплообмена, сопротивлений и гидравлических характеристик смесей пищевых продуктов
с воздухом................... 86
Исследование форм течения смесей пищевых продуктов с
воздухом в вертикальных трубах.......... 89
Исследование форм течения воздухожидкостных смесей
в горизонтальных „трубах............. 92
Получение эмпирических зависимостей для инженерных расчетов конвективного теплообмена при нагревании смесей воздуха с растворами сахара различных концентраций в трубах.................... 94
Стр.
Уточнение критериального обобщения для расчета конвективного теплообмена с учетом массообмена....... 105
Зависимости для расчета гидравлических сопротивлений при
нагревании воздухожидкостных смесей в трубах.....108
Инженерные расчеты воздухожидкостных теплообменников пищевых производств............... 112
Глава IV. Интенсификация теплообмена путем создания тонкопленочного течения жидкости ........... 116
Экспериментальное изучение пленочного течения ..... 116
Задачи исследования и способы генерации пленки . . . 116 Измерение толщины жидкой пленки, амплитуды и частоты волн на поверхности пленки........... 119
Установки для экспериментальных исследований . . . .125 Формулы для расчета скорости, толщины и волнообразования при течении жидкости в пленке, генерируемой различными способами................. 1-35
Исследование пленочного течения жидкости по наклонной
поверхности ..... ............. 135
Исследование^ поступательного и закрученного течения
жидкостной пленки внутри труб.......... 140
Зависимости для расчета теплообмена при различных видах
пленочного течения жидкости............148
Зависимость коэффициентов теплоотдачи от плотности орошения и длины пробега пленки при поступательном и закрученном пленочном течении жидкости внутри труб 148 Анализ дифференциальных уравнений пленочного течения
жидкости и теплоотдачи к пленке.......... 150
Критериальные обобщения по теплоотдаче к пленке'жидкости, стекающей по наклонной поверхности......153
Глава V. Интенсификация теплообмена в выпарных аппаратах...................... '58
Зависимости для гидродинамических расчетов выпарных
аппаратов пищевых производств .......... 158
Исследование гидравлических процессов в выпарных аппаратах ................... 158
Истинное объемное паросодержание в кипятильных трубах ..................... 161
Метод одновременного учета абсолютного перемещения
и прироста паровой полости вдоль трубы ...... 164
Влияние вдувания воздуха на интенсивность теплообмена
при кипении в трубах............... 168
Методика исследования влияния вдувания воздуха в кипятильную трубу на теплообмен.......... 168
Зависимость интенсификации теплообмена при кипении
в трубах от количества вдуваемого воздуха ...... 170
Связь между растворимостью воздуха и его относительным расходом................. 1^2
Влияние парциального давления пара в паровоздушной
смеси на теплообмен............... 174
Зависимость интенсификации теплообмена от относительного массового расхода воздуха Вв......... 175
тэл
Стр.
Расчет теплообмена при вдувании воздуха...... 176
О механизме воздействия вдуваемого воздуха на процесс
кипения в трубах................ 177
Влияние пульсаций на интенсивность теплообмена в выпарных аппаратах пищевых производств......... 179
О влиянии пульсаций на удельный тепловой поток и коэффициент теплоотдачи............. 180
Экспериментальная установка и проведение опытов ... 180
Общий характер закономерностей.......... 181
Влияние пульсаций с частотой не более 1—2 гц на теплообмен в парообразующем канале......... 184
Критериальное обобщение теплообмена в кипятильных
трубах при пульсациях с частотой до 1—2 гц..... 185
Результаты исследования интенсификации теплообмена, достигнутой диафрагмированием труб выпарных аппаратов . 185
Глава VI. Технико-экономические расчеты при эксплуатации и проектировании теплообменников и выборе эффективных методов интенсификации теплообмена в аппаратах пищевых производств.................. 189
Влияние различных способов интенсификации теплообмена
на качество пищевых продуктов........... 189
Методика выбора параметров, обеспечивающих минимальные капитальные затраты на тешюобменные аппараты и
их эксплуатацию................. 194
Упрощенные выражения для коэффициентов теплопередачи в теплообменниках без интенсификации и с интенсификацией 197 Упрощенное выражение для коэффициента теплопередачи
в обычных теплообменниках............ 197
Упрощенные выражения для коэффициента теплоотдачи в пульсдционном и воздухожидкостном теплообменниках . 201 Упрощенные выражения для полного падения давления в
теплообменниках обычного типа...........203
Общее уравнение для определения всех издержек, связанных с эксплуатацией теплообменника.....: . . . 210
Технико-экономические расчеты теплообменников, работающих в условиях накипеобразования ......... 217
Влияние накипеобразования на коэффициент теплопередачи ......................217
Влияние накипеобразования на падение давления и его изменение во времени...............220
Экономические расчеты теплообменников, работающих в условиях накипеобразования ............ 221
Приложения................... 225
Список использованной литературы .......... 232
Цена: 600руб.
