CC BY
11
Список литературы
1. Андрющенко Л.Б. Спортивно-ориентировочная технология обучения студентов по предмету «Физическая культура» / Л.Б. Андрющенко // Теория и практика физической культуры. - 2002. - №2. -С.18-20.
2. Беликов К.А. Учебно-тренировочный процесс и организация подготовки лыжников-гонщиков в образовательных учреждениях МВД России /
К.А. Беликов // Сб. научн. тр., посвященный 70ю образования каф. теор. и метод. лыжного спорта РГУФК. - М., 2007. -С.41-46.
3. Ильинич В.И. Физическая культура студента / В.И. Ильинич. - М.: Гардорини, 2004. - 448 с.
4. Ильинич В.И. Физическая культура студента и жизнь / В.И. Ильинич. - М.: Гардорини, 2005. - 118 с.
E-mail: [email protected]
182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина д. 2, Великолукская ГСХА. Тел.: (81153)7-28-51
УДК 631.1.023
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОБОСНОВАНИЮ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ ПАСТЕРИЗАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ С ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВАТЕЛЕМ
Галина Васильевна Макарова, к. техн. н., профессор Сергей Викторович Соловьев, ассистент
ФГБОУ ВПО «Великолукская ГСХА», Россия, г. Великие Луки
В статье рассматриваются теоретические предпосылки к определению геометрических параметров нагревательных элементов индукционного пастеризатора, в зависимости от заданной тепловой мощности с учетом неравномерно распределенных источников тепла в материале трубы.
Ключевые слова: индукционный нагреватель; выдерживатель; тепловой поток; тепловая мощность.
Задача обеспечения эффективного использования энергии может быть решена только на основе комплексного энерготехнологического подхода. Предварительная теоретическая проработка технологического процесса определяет основной пара-
метр эффективности - энергоемкость результата, которая рассматривается как минимальная потребность энергии на единицу результата.
Рассмотрим энерготехнологический процесс первичной обработ-
ки в пастеризационном установке с индукционным нагревателем молока. Пастеризационная установка выполнена на базе промышленной пастеризационной установки
ПМР-02 ВТ, в которой роторный нагреватель заменен индукционным нагревателем промышленной частоты.
Рабочий процесс первичной обработки молока рассмотрим по технологической схеме, представленной на рис. 1. Установка работает следующим образом: из уравнительного бака 1 теплое молоко из моло-копровода центробежным насосом 2 подается в первую секцию регенерации 3, где дополнительно подогревается за счет теплоты пастеризованного молока до 60...65 0С. В индукционном нагревателе 4 молоко нагревается до температуры пастеризации, проходит через трехпози-ционный клапан 5 и поступает в вы-
дыход продукта
держиватель 7. Далее транспортируется в секцию регенерации 3. Охлаждается молоко в 2 этапа: сначала в секции 3 за счет подводимого молока, затем в секции 6 холодной водой [2].
Данная установка имеет следующие преимущества:
• преобразование электрической энергии непосредственно в тепловую;
• увеличение теплового коэффициента полезного действия за счет отсутствия промежуточных теплоносителей;
• снижение потерь тепла в окружающую среду за счет объединения нагревателя и выдерживателя в одном устройстве;
• повышение эксплуатационной надежности, так как нагревательная установка не имеет подвижных частей.
Вход продукта ]<—
холодная дода
1 - уравнительный бак; 2 - молочный насос; 3 - секция регенерации теплообменника; 4 - индукционный нагреватель; 5 - клапан рециркуляционный; 6 - секция охлаждения; 7 - выдерживатель Рисунок 1 - Технологическая схема пастеризационной установки
Основной особенностью индукционного нагрева является выделение теплоты в самих нагреваемых телах, что позволяет передать в них больше мощности, получить высокий термический коэффициент полезного действия за счет выделения теплоты только в требуемых частях объемов. В ряде случаев получить температурные распределения, недостижимые при других способах нагрева (например, с обратным теп-лоперепадом - когда внутренние слои нагреваются до температуры большей, чем максимальная температура поверхности за весь период нагрева).
Индукционный нагреватель с выдерживателем представлен
на рис. 2 [4].
Индукционный нагреватель включает в себя корпус 1, выполненный из пищевых пластмасс, нижнюю входную камеру 2 и верхнюю выходную камеру 3, снабжённые входным и выходным патрубками 4 и 5.
Движение нагреваемой жидкости осуществляется через кольцевые зазоры 6, образованные коаксиально расположенными трубами 7, и вытеснитель 8, выполненные из нержавеющей стали. Снаружи корпуса размещена обмотка индуктора 9, поверх которой располагается выдер-живатель 10, представляющий собой кольцевую емкость. Из нагревателя жидкость поступает в выдержива-
тель через обводную трубу 11. Выход пастеризованного молока осуществляется через выходной патрубок 12. Снаружи устройство защищено теплоизоляционным слоем 13.
При такой конструкции нагрев молока осуществляется от стенок коаксиально расположенных труб в кольцевых зазорах между ними. Таких зазоров 3 и, соответственно, мы имеем 3 потока молока. К качеству пастеризации предъявляются жесткие требования, поэтому тепловая обработка должна быть в равной степени эффективна для всего объема обрабатываемого продукта (молока), т.е. температура и время нагрева должны быть одинаковыми для всех потоков.
Под технологическим процессом пастеризации молока будем подразумевать процесс дополнительного нагрева молока в регенераторе, индукционном нагревателе, выдержки в выдерживателе и охлаждении.
Процесс индукционного
нагрева должен обеспечивать требуемое пространственное распределение теплового потока и его распространение по поверхности, соблюдение требуемого закона распределения параметров во времени.
Найдем зависимость тепловой мощности индукционного нагревателя от его геометрических параметров.
С*
&
X \УХ
Ту
Л
11 5 3 ±
12
/ У
/
У у"
к /
,1
Л--■
—___*
и
л>
'У
Г
7 / \ 4 \ 2
10
8
13
Рисунок 2 - Индукционный нагреватель молока с выдерживателем
Обязательным условием равномерного нагрева всего объема молока является равенство температур в кольцевых зазорах на входе и выходе нагревателя. Если температура на входе ^ во все кольцевые зазоры одинакова, то температура на выходе ^ для каждого потока будет определяться расходом и количеством теплоты, переданной потоку.
На рис. 3 приводится схема распределения тепловых потоков в нагревателе. Поток молока нагревается от стенок труб, образующих кольцевой зазор. Тепловая мощность, получаемая потоком, будет
зависеть от массового расхода, разности температур, скорости течения жидкости и площади поперечного сечения кольцевого зазора Рпт = Ж • с • - О = К • ^ • с • ($г - гД (1) где РПТ - тепловая мощность, получаемая потоком, Вт;
W - массовый расход молока через кольцевой зазор, кг/с;
с - теплоемкость молока, Дж/(кг-°С);
V - скорость течения молока,
м/с;
F - площадь поперечного сечения кольцевого зазора, м2.
Рисунок 3 - Схема распределения тепловых потоков в нагревателе
Массовый расход молока будет зависеть от геометрических размеров кольцевого зазора:
ляемой в трубе, отнесенной к площади ее поверхности.
Ч =
Р.
(3)
Ж = V ■ Р
кз
(2)
где FКз - площадь поперечного сечения кольцевого зазора, м2, которая находится по формуле:
РКЗ =к(гН - гв)';
гн - наружный радиус кольцевого зазора, м;
гв - внутренний радиус кольцевого зазора, м.
Исходя из условия, что количество отдаваемой теплоты пропорционально площади поверхности [1], введем понятие удельного теплового потока - тепловой мощности, выде-
где q - тепловой поток, Вт/м2;
FT - площадь поверхности трубы, м2;
РТ - тепловая мощность, которая выделяется в трубе, Вт.
Определим тепловую мощность для потока молока в зазоре:
Рпт qнаруж'Fнаруж + qвн'Fвн, (4) где qнаруж, qвн - тепловой поток для наружной и внутренней поверхности зазора;
Fнаруж, Fвн - площади наружной и внутренней поверхности.
Тогда для конструкции, приведенной на рис. 3, тепловые мощности, получаемые потоками жидкости в кольцевых зазорах:
РПТ1 = Чт1 РП = 0 2 - О = Уж- С-(2 - ^ )(г1 - гв )
РПТ 2 = Чт 1РП + Чт 2 РТВ2 = С - 2 - О = Уж ' С' (7 2 - Ч Х^ - Г2 )
РПТ3 = Чт2РТН2 + ЧкРк = ■ (2 - О = УЖ ■ С ■ (2 - Ч )(ГК - Г4 )
(5)
где qт1, qт2 - тепловой поток с поверхности труб 1 и 2; Fнор.тl, Fнв.тl - наружная и внутренняя площади труб 1 и 2; qк - тепловой поток через поверхность корпуса, который создается обмоткой индуктора.
Тепловой поток через поверхность корпуса найдем из выражения
р р _У ж(гТ2 - Еп)'С■ (А -О - ЧТ 2 ж ГТ2 (П )-(11)
ГП 1 Т1 ' „ ЛКТ1 + 71)'\11/
К„
Чк =
Р
об
12 г
и
2 ■ ж■ гК-1
(6)
р = . р = Уж(гК - - О - 9кж'Ггк {к + , ).(12)
1Т2 Чт2 1Т2 р \ПТ2 Т2/ ^ '
Из системы уравнений (5) найдем гК и гВ
Далее выразим из выражений (11) и (12) длины труб нагревателя
2 2 ГВ = Г1 -
Чт 1р
Т1
Уж ■ С ■ (7 2 -11)
г 2 = 'к
Чт 2 РТ2 + Чкрк
Уж ■ С ■ (72 - 71)
+ Г
4 •
(7)
(8)
Выразим площадь поверхности труб Fт через радиусы и подставим в формулу (4) выражения (7) и (8).
ЧТ 2
У■ ж(г2 -R2T2)■ С■ (72 -71)
2 ■ ж ■ RТ 2 ■ I
чт1
У■ж(гТ2 -Rn)■С■(/; -71)-^2 ■ Г
2 ■%■ RТ1 -I
, 2
т2
(9)
(10)
Найдем мощности в трубах,
преобразовав(4)
I =
для внутренней трубы:
у ■ (4 - Rn)■ с т - Т1) - Чт 2 -г
2
т 2
2■чт 1 ■
(13)
для наружной трубы:
1 - У ■ (,2-РТ2)■ С■ (Т2-тр-Чк-ГК2 . (14)
2 ■ Чт2 ■ 2
Таким образом, мы получили зависимость тепловой мощности труб от их геометрических размеров при постоянстве температур на входе и выходе.
Найдем минимально допустимую длину нагревателя, достаточную для нагрева молока от температуры ^ до t2 при заданной мощности, выделяемой в его нагревательном элементе.
в
2
Для сердечника, представляющего собой 2 трубы и вытеснитель (рис. 3)
P =а21ж(т2 + гДг, + r4)(tnac + tm4). (15) Откуда, длина нагревателя будет равна
l =-P-. (16)
a2K(r2 + ri)(r3 + Г4 )(tnac + tHa4 )
Совместное решение уравнений 13, 14, 16 позволит обосновать радиусы и длины труб сердечника при заданных размерах корпуса, вытеснителя и производительности индукционного нагревателя.
При использовании индукционного нагревателя в качестве пастеризатора важно не только передать необходимую тепловую мощность обрабатываемому продукту, но и обеспечить равномерный его нагрев. Этого можно достигнуть,
Список
1. Исаченко В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Суко-мел. - М.: Энергия, 1969. - 440 с.
2. Крусь Н.А Технология производства молока и молочных продуктов / Н.А. Крусь. - М.: Колос, 2004. - 386 с.
3. Немков В.С. Теория и расчет устройств индукционного нагрева /
E-mail: Mavrsol @yandex. ru 182112 Псковская область, г. Великие J Тел.: (81153) 7-16-22
подобрав оптимальные диаметры кольцевых зазоров, через которые протекает пастеризуемый продукт (рис. 3). Задача осложняется тем, что при индукционном нагреве тепловая мощность по сечению трубы выделяется неравномерно и нелинейно убывает по радиусу от наружной поверхности к внутренней [3].
Выводы:
• нами разработана конструкция индукционного нагревателя жидкости с выдерживателем, в которой обеспечивается равномерный нагрев всего объема молока, новизна конструкции подтверждена патентом;
• полученные нами выражения позволяют определить геометрические размеры сердечника индукционного нагревателя (диаметры и длины труб и вытеснителя), в зависимости от производительности и электрической мощности при преобразовании ее в тепловую.
литературы
В.С. Немков, В.Б. Демидович. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с. 4. Патент на полезную модель RU 137709 и1. Индукционный нагреватель жидк ости с выдерживателем / Г.В. Макарова, С.В. Соловьёв, В.А. Шилин. - заявл. 10.07.2013, опубл. 27.02.2014, Бюл. №6.
:, пр. Ленина д. 2, Великолукская ГСХА.
