CC BY
38
Инженерия
ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООТДАЧИ В УСЛОВИЯХ ПОВЕРХНОСТНОГО КИПЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ВАРОЧНЫХ ЕМКОСТЯХ АППАРАТОВ С РУБАШКОЙ
С. В. ШИХАЛЕВ,
аспирант, Уральский государственный экономический университет,
Л. А. МИНУХИН,
доктор технических наук, профессор, Уральская государственная сельскохозяйственная академия
Положительная рецензия представлена Ю. С. Рыбаковым, доктором технических наук, профессором, заведующим кафедрой пищевой инженерии Уральского государственного экономического университета.
Ключевые слова: коэффициент теплоотдачи, пищеварочный котел, кипение в условиях свободной конвекции.
Keywords: coefficient of heat exchange, food boiler, boiling in the conditions of a free convection.
Для малоемкостных варочных аппаратов с пароводяной рубашкой, широко используемых на предприятиях пищевой и перерабатывающей промышленности АПК, нестационарный процесс разогрева пищевых продуктов занимает значительную часть времени их работы. При нагревании жидкого продукта в варочных сосудах рубашечных аппаратов, не оборудованных перемешивающими устройствами, имеет место теплоотдача при свободном движении жидкости в ограниченном пространстве. Поэтому при проектировании таких аппаратов для расчета коэффициента теплоотдачи в варочной емкости используют зависимость при свободной конвекции, представленную формулой вида [1, 2]:
N4 = с■ (От■ Рг)п -в4 (1)
где N4 — число Нуссельта;
От, Рт — соответственно критерии подобия Грасгофа и Прандтля;
8( — коэффициент, учитывающий влияние переменности свойств среды; с, п — экспериментальные постоянные.
Однако при проведении теплотехнических расчетов варочных котлов следует учитывать то обстоятельство, что в режиме разогрева содержимого варочной емкости аппаратов, кроме процессов конвекции, также могут возникать процессы поверхностного кипения жидкости, а это, в свою очередь, требует учета изменения коэффициента теплоотдачи.
В современной литературе приводится немало зависимостей для расчета процесса теплоотдачи при поверхностном кипении, сравнительный анализ некоторых из них изложен в работе [3]. Однако представленные модели для расчета процесса теплоотдачи при кипении с недогревом в основном получены для простых конфигураций теплообменных поверхностей, в большинстве случаев при течении жидкости в трубах [4].
Отсутствие исчерпывающих данных по теплоотдаче в условиях поверхностного кипения жидкости в варочных емкостях аппаратов с рубашкой явилось стимулом для проведения соответствующего экспериментального исследования. В этих исследованиях изучение процесса теплоотдачи в нестационарных
условиях проводились на экспериментальных стендах (рис. 1), основными объектами которых являлись электрические аппараты рубашечного типа емкостью 0,02 м3, 0,04 м3 и 0,06 м3.
Измерение температуры воды и теплоотдающей поверхности при разогреве аппаратов производилось многоточечными потенциометрами типа КСП-4 класса точности 0,25. Горячие спаи термопар располагались в различных слоях жидкости варочного сосуда, на внутренней поверхности варочной емкости и на поверхности крышки. Высота слоя содержимого варочной емкости была разбита на пять равных частей, в каждой из которых производилось измерение температуры на одинаковом удалении от стенки, т. е. на оси варочной емкости [1, 5]. При переходе в нижележащую условную часть теплообменной поверхности точка замера температуры внутренней стенки смещалась по винтовой спирали на 120о. Для измерения температуры во всех точках использовались хромель-копелевые термоэлектроды диаметром 0,2 мм.
Экспериментальные исследования процесса теплоотдачи в аппаратах с рубашкой базировались на методе энтальпии. При этом плотность теплового потока, передаваемого жидкой среде, определялась по массе продукта в и изменению его средневзвешенной температуры от ^ж . до ^ . за временной интервал Ат:
q
G • с • \t ж ,i+1 — t ж ,i / + F •Ат
■•)+ Qn
(2)
где Qпот — потери тепла крышкой аппарата за временной интервал Ат.
Значение локальной во времени температуры внутренней стенки варочного сосуда также определялось как средневзвешенное.
Локальный во времени процесса разогрева коэффициент теплоотдачи от стенки в объем варочного сосуда, согласно рекомендациям [6], определялся по закону Ньютона-Рихмана:
а
q
t ст t ж
(3)
www. m-avu. narod. ru
41
Инженерия
где — £ст , £ж соответственно температурное поле наружной и внутренней поверхности варочной емкости на интервале Д т.
Проведенные опыты по разогреву аппаратов с рубашкой, как и ожидалось, позволили обнаружить и изучить процесс пристенного кипения жидкости в варочной емкости.
Наглядным примером служит диаграмма (рис. 2), демонстрирующая характер изменения коэффициента теплоотдачи к воде в процессе разогрева варочного котла емкостью 0,02 м3 при сопоставлении с данными работы [1] на протяжении всего температурного диапазона.
Как видно из диаграммы, экспериментальные данные настоящей работы хорошо согласуются с данными работы [1] только в температурном диапазоне до 85оС, т. е. в первой области, где коэффициент теплоотдачи определяется только факторами естественной конвекции (а=асв) в объеме недогретой до температуры кипения жидкости; с другой — имеет место циркуляционное конвективное движение жидкости, обусловленное различной плотностью сред вблизи и вдали от стенки емкости (рис. 3).
С момента начала развитого пузырькового кипения по всему объему жидкости (третья область) коэффициент теплоотдачи зависит только от интенсивности парообразования (а=акип) и достаточно хорошо описывается уравнением (5) для развитого пузырькового кипения воды в большом объеме.
Для более подробного рассмотрения закономерностей теплоотдачи в промежуточной области на рис. 4 проиллюстрировано сопоставление коэффициентов теплоотдачи, полученных экспериментальным способом и расчетным путем для естественной конвекции и развитого кипения воды. Как видно из рис. 4, использование при расчете коэффициента теплоотдачи в варочных емкостях зависимости для естественно-конвективного движения справедливо только для первой области процесса, а расчет по формуле для развитого кипения в большом объеме дает правильный результат лишь в заключительный период процесса разогрева.
На рис. 5 с целью получения зависимости, позволяющей определять коэффициент теплоотдачи для промежуточной области, опытные данные на рис. 4 были представлены в относительных координатах.
Аппроксимация представленных на рис. 5 опытных данных, соответствующих промежуточной области, позволила получить интерполяционную зависимость:
ос
Рисунок 1
Принципиальная схема стендов для исследования процесса теплоотдачи в варочном аппарате с рубашкой: 1 — пароводяная рубашка; 2 — варочный сосуд; 3 — заливная воронка; 4 — трубчатые электронагреватели;
5 — теплоизолированная крышка; 6 — изоляция; 7 — манометр; 8 — регулятор напряжения; 9 — термометр; 10 — термопары для измерения температуры рабочих сред; 11 — термопары для измерения температуры крышки;
12 — группа автоматических многоточечных потенциометров типа КСП-4
ос Со ■ а -ос (7)
СЕ СЕ КИП 4 '
которая наиболее полно характеризует процесс теплоотдачи от стенки варочного сосуда к жидкости. Аппроксимирующая зависимость (7) получена с относительной ошибкой, в среднем не превышающей 2,4 %.
Характерным моментом является сопоставление на рис. 9 опытных данных с результатами расчета по зависимости (6) при кипении в условиях направленного движения жидкости (вспомогательный параметр х = 0,71 [8]). При этом следует отметить, что интерполяционная зависимость (7) дает более надежный результат при расчете коэффициента теплоотдачи в вароч-а б
Рисунок 2
Теплоотдача к жидкости при разогреве варочного котла емкостью 20 литров: И, О,О— опытные значения соответственно для области естественной конвекции, поверхностного кипения, пузырькового кипения;0 — уравнение естественной конвекции в варочных емкостях
N =0,137ЧНа1/3(рг / л">5
(4), работа [1]; о— уравнение для пузырькового кипения воды в большом объеме акш =38,7 А Р33 р0-5 (5), работа [7]
Рисунок 3
Поверхностное кипение в варочной емкости: а — движение кипящего слоя; б — естественно-конвективное движение; 1 — парожидкостная смесь; 2 — недогретая жидкость;
3 - стенка варочной емкости
42
ммм.т-эчи. пэгоб. ги
Инженерия
а, Вт/(м -°С)
2000
1750
1500
1250
1000
750
500
250
0
2
/ , У
с / ^ /
(3 > < /
а ж /асв
2,2
2
,8
,6
,4
29
30
31
32
33
34
а, Вт/(м2-°С) 1750 1500 1250 1000 750 500 250 0
30 31
а, Вт/(м2-°С)
35 36
3
т, мин 1,2 1
0,8
32
33
34
3
35
1
X
2
акип/асв
0,4
0,8
1,2
1,6
2,4
Рисунок 5
Коэффициенты теплоотдачи в относительных координатах для области поверхностного кипения жидкости:
а = -\1^а4 + (X -акип)4 + (1 - X 2 )-а 1, 6), работа [8]
ных емкостях аппаратов с рубашкой, чем зависимость (6).
Таким образом, в результате проведенного исследования обнаружен и изучен процесс поверхностного кипения жидкости в варочной емкости аппаратов с рубашкой, получена интерполяционная зависимость для определения коэффициента теплоотдачи в данных условиях, позволяющая проводить теплотехнические расчеты варочных аппаратов в нестационарных условиях.
Рисунок 4
Коэффициент теплоотдачи в области поверхностного кипения жидкости в варочных котлах вместимостью 20, 40 и 60 литров; а — КПЭ-20; б — КПЭ-40; в — КПЭ-60; 1 — опытные данные; 2 — уравнение естественной конвекции (4); 3 — формула для развитого кипения воды в
большом объеме (5)
3
1
а
1
0
2
б
1
в
Литература
1. Решетников И. Ф. Процессы в греющих полостях и рабочих объемах пищеварочных котлов : автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1983. 23 с.
2. Вышелесский А. Н. Тепловое оборудование предприятий общественного питания. 5-е изд., перераб. и доп. М. : Экономика, 1976. 399 с.
3. Агафонова Н. Д., Готовский М. А., Парамонова И. Л. Сравнительный анализ зависимостей для расчета теплоотдачи при кипении с недогревом // Теплоэнергетика. 2006. № 2. С. 48-53.
4. Залетнев А. Ф. Модель процесса теплопереноса при поверхностном кипении жидкости в трубах // ИФЖ. 1976. № 31. С. 396-401.
5. Натепров В. И. Исследования газовых пищеварочных котлов с непосредственным обогревом : автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1969. 24 с.
6. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена : учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Энергия, 1979. 320 с.
7. Рассохин Н. Г., Швецов Р. С. Номограммный метод расчета поверхности нагрева при кипении в межтрубном пространстве // Теплоэнергетика. 1969. № 7. С. 91-92.
8. Минухин Л. А. Расчеты сложных тепло- и массобмена в аппаратах пищевой промышленности. М. : Агропромиздат, 1986. 174 с.
№№№. т-Э¥и. ПЭГОб. Ги
43
