CC BY
32
УДК 643.336547.128
Е. В. БІЛЕЦЬКИЙ, кандидат техничних наук, заступник директора Харківського торговельно-економічного інституту Київського торговельно-економічного університету, м. Харків
ЗАСТОСУВАННЯ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ ТЕПЛОНОСІЇВ У ГАЛУЗІ РЕОДИНАМИКИ
В статье рассматривается современое состояние исследований использования неньютоновських жидкостей в качестве теплоносителей при проведении тепловых процес сов на предприятиях химической, пищевой и перерабатывающей отраслей
У статті розглядається сучасний стан досліджень використання неньютонівських рідин, як проміжних теплоносіїв для проведення теплових процесів на підприємствах хімічної, харчової та переробної галузей.
Вступ
Більшість процесів хімічної, харчової та переробної промисловості присвячено вирішенню проблем удосконалення та надання нових якостей хімічним, харчовим продуктам при одночасному зменшенні енерговитрат. Особливості переробки в’язких матеріалів насамперед пов’язані з тепловими процесами та з реологічними властивостями матеріалів
[1]. При проведенні теплових процесів одне з головних завдань, що доводиться вирішувати фахівцям - це вибір оптимального теплоносія. Теплоносії, які повинні використовуватися в циркуляційних контурах теплових апаратів, мають відповідати цілому комплексу вимог, до яких належать: сприятливі теплофізичні властивості, хімічна інертність щодо конструктивних матеріалів, пожежо- і вибухонебезпечність, низька леткість, невисокий тиск пари при робочих температурах, нешкідливість для людей і навколишнього середовища, сприятливі техніко-економічні показники [2]. Оскільки універсальних теплоносіїв, що відповідають усім перерахованим вимогам, практично не існує, тому в кожному конкретному випадку обирають теплоносій, який максимально відповідає першорядним за важливістю вимогам з урахуванням технологічної мети його застосування.
Основна частина
З великої кількості процесів теплообміну переважно вибір теплоносія припадає на користь вологої насиченої пари. На вологу насичену пару впливає дуже велика питома теплота паротворення, крім того вона нетоксична, пожежобезпечна та має оптимальні економічні показники. Незважаючи на вказані переваги цього теплоносія, у нього є суттєві недоліки, а саме: корозія металевих частин під дією вологої пари, утворювання накипу на стінках обладнання, зміна складу теплоносія в процесі експлуатації та відповідно до його теплофізичних властивостей, а також значна залежність підвищеного тиску від температури
[2]. Усе вищезазначене приводить до ускладнення та подорожчення конструкцій апаратів саме завдяки збільшенню товщини стінок трубопроводів і нагрівальних порожнин апаратів, ускладнення апаратури та її обслуговування, зниження безпеки експлуатації. У зв'язку з вищезазначеним, на підприємствах хімічної та харчової галузей використовують вологу пару низького тиску до 150 кПа, при отриманні робочої температури 110 0С. Це свідчить про низьку ефективність щодо використання пари на підприємствах хімічної та харчової галузі. Крім цього відома велика кількість теплових процесів, які протікають при температурі 150 0С і вище [2].
З кожним роком потреба у високотемпературних теплоносіях зростає не тільки у хімічній і харчовій промисловості, а й у машинобудівній та переробних галузях. Можливість використання високомолекулярних органічних теплоносіїв у теплових процесах розглядалася у роботах [3, 4]. Було зазначено, що теплоносії повинні мати комплекс властивостей, щоб забезпечити проведення високотемпературних процесів та відсутність недоліків, які характерні для вологої насиченої пари.
У роботах [3, 4] розглядалося питання про можливість використання у теплових апаратах діарилметану-дитолілметану (ДТМ), з температурою кипіння 296 0С, замерзання мінус 24 0С.
Ці рідини жовтого кольору, з різким характерним запахом. Вони можуть використовуватися, як в однофазному, так і двофазному стані (суміш рідина-пар). Ці рідини не викликають корозію металів, мають достатню термічну стійкість, але треба зазначити, що широкого використання вказані теплоносії не зазнали, завдяки токсичності та неприємного запаху. Крім того, для зниження високої температури кипіння, необхідно проводити вакуумування системи, що значно ускладнює конструкцію теплового апарату. Також недоліком є висока температура плавлення і недостатня термостійкість.
Зарубіжними фірмами «Мопваїю», «Ргасії» використовуються терфінільні суміші як теплоносії, які серійно виробляються. До їх основних недоліків слід віднести високу температуру плавлення (20 0С і вище), високу вартість. Переважно вказані суміші використовують для охолодження ядерних реакторів .
У роботі [5] була запропонована поліпшена терфінільна суміш з температурою плавлення мінус 27 0С, але її серійний випуск так і не був започаткований. У деяких видах технологічного устаткування пропонується використовувати як проміжний теплоносій гліцерин, за умови нагрівання до 220...250 0С. Цей теплоносій є вибухобезпечним, неотруйним, має порівняно невисоку вартість. Але при більш високих температурах він розкладається з утворенням акролеїну, який викликає сльозотечу та кашель [5].
Властивості деяких рідин органічних теплоносіїв, які знайшли використання у роботах [3, 4] та наведені у табл. 1 та 2 .
Таблиця 1
Основні показники окремих проміжних теплоносіїв [4]
Найменування теплоносія о сч ї “ К Г с ^ V о ° и Температура, °С Теплоємність при 200 С, (кДж/кг-К) Теплопровідність, (Вт/м- К)
плавлення кипіння, при 1 атм спалаху
1 2 3 4 5 6 7
Силіконове мастило Силтерм 800 920 мінус 30 370 160 1,601 0,134
Дітолілметанові рідини - ДТМ 1089 мінус 32 258 190 1,553 0,125
Мінеральне мастило «Вапор-Т» 920 мінус 30 250 190 1,712 0,11
Марлотерм-Ь 965 мінус 17 296 136 1,56 0,134
Гліцерин 1269 мінус 18 290 170 2,32 0,284
АМТ - 300 820 мінус 20 300 185 1,57 0,12
Даутерм - ДФС 1063,5 мінус 12 258 113 1,56 0,139
Продовження таблиці 1
1 2 3 4 5 б 7
Поліфенілметил-силоксани (ПМФС) 1100 мінус б0 250 300 1,575 2, 5б 0,143
Поліетил-силоксани (ПЕС) 970. .1180 мінус б0 250 300 1,72. .1,92 0,1б7
Поліметил-силоксани (ПМС) 910... ...980 мінус б0 300 330 1,бЗ2 0,1б7
Таблиця 2
Основні характеристики сучасних проміжних теплоносіїв [6]
Торгова назва Склад Тепло-фізичні показники Діапазон робочих температур Експлуатаційні показники Вартість, грн/кг
Or •-t P •-t Фазовий стан
1 2 3 4 5 6 7
ПМС-1000 Поліметил- силоксанові рідини 1,322 • 105 Рідина -30. +350 Безпечний 55
Сілтерм 800 Siltherm- 800 Диметилполі- силоксанові рідини 1,14б • 107 Рідина -30. +350 Невисока токсичність, обмежений термін експлуатації б0
ПЕС Поліетил- силоксанові рідини 1,984 • 104 Рідина -30. +350 Безпечний 110
ПФМС Поліфеніл-метилсилок-санові рідини 4,79б • 103 Рідина -30. +350 Безпечний 110
Гліцерин Трьохатомний сприт 3,б87 • 104 Рідина -18. +290 Безпечний, обмежений термін експлуатації 10
Марло- терм-L Marlo- term-L Бензилбен-золові рідини 3,2б7 • 10б Рідина -14. +340 Токсичний, обмежений термін експлуатації 50
АМТ-300 Mobil-term Вакуум дистилят нафтових мастил 5,009 • 10б Рідина -20. +280 Токсичний, обмежений термін експлуатації 20
Вапор-Т Циліндрове мастило 5,971 • 10б Рідина -10. +250 Вибухоне- безпечний, обмежений термін експлуатації 25
Продовження таблиці 2
1 2 3 4 5 6 7
ДФС. Dow- therm-A Дифеніл та дифеніл-оксид 2,232 • 105 Рідина-пара +30. 380 Токсичний, обмежений термін експлуатації 50
дтм Дитоліл- метанові рідини 2,392 • 106 Рідина-пара +40. 320 Токсичний, обмежений термін експлуатації 40
Серед багатокомпонентних високотемпературних органічних теплоносіїв досить широко використовується дифенільна суміш. Ця суміш використовується в діапазоні температур від 15 0С до 385 0С (короткочасно до 400 0С) як в рідкому, так і пароутворюючому стані. Основними недоліками є відносно висока температура плавлення 12 0С, відносно низька температура кипіння (258 0С), висока вартість [5].
У роботах [4, 5] розглядалось питання про можливість використання як теплоносії в мінеральних мастил Вапор-Т, 12-м, 19-Т Температура кипіння мастил знаходиться в інтервалах 250 °С...300 0С. Вони застосовуються тільки в рідкому стані. Суттєвим недоліком вказаного теплоносія є нетривалий термін збереження термостійкості. Крім того, мастило Вапор-Т має різку залежність в'язкості від температури та високу інерційність нагріву, що призвело, в деяких випадках, до вибуху теплових апаратів. Через названі недоліки мінеральні мастила мало використовуються для обігріву теплових апаратів на підприємствах хімічної та харчової промисловості .
За кордоном використовують мінеральні мастила, що проходять спеціальну обробку, це розширило діапазон температур їх використання до 320 0С. Мастила, які знайшли найбільш поширене використання це: Mobil, Castrol, Shell, ESSO, Arel [5].
Останнім часом науковців-дослідників привертає увагу можливість використання кремнійорганічних рідин (силіконових мастил) як теплоносіїв. У монографії [4] з достатньою повнотою наведені теплофізичні властивості цих рідин, які дозволяють проводити інженерні розрахунки. Успішні спроби використання кремнійорганічних рідин, як теплоносіїв, описані в літературі [3, 4, 7]. У роботах зазначено, що вказані рідини відповідають цілому комплексу вимог до їх термодинамічних, фізико-хімічних, біологічних і технологічних властивостей.
На основі одержаних теоретичних та експериментальних даних були розроблені нові апарати для термостатування готових страв, для охолодження напоїв, жаріння основним способом та у фритюрі [3.4]. Розроблені апарати відзначаються підвищеною надійністю й довговічністю, забезпечують високу якість продукції, а також поліпшення умов праці та екологічного стану на підприемствах харчової промисловості.
Основні властивості вивчених у теперішній час кремнійорганічних рідин вітчизняного виробництва, які рекомендовані для використання на підприємствах різних галузей, наведені у табл. 2.
Вказані фізичні властивості визначають можливість практичного використання деяких кремнійорганічних рідин в досить широкому температурному інтервалі від мінус 70 0С до 3700 С. Найбільшу термічну стійкість мають поліфенілметилсилоксанові рідини ПФМС-5 та ПФМС-6, які рекомендують використовувати для циркуляції у контурах теплових апаратів з робочою температурою 350 0С [6].
За кордоном кремнійорганічні рідини, відомі як силіконові мастила, використовуються як теплоносії, відомі під торговельними марками TAS-10A, TAS-130, TAS-155, TAS-200, DC-200, DC-702. [98]. Вони використовуються в температурному інтервалі від 70 0С до 350 0С. Головний недолік вказаних теплоносіїв є здатність до гідролізу, відносно велика вартість. Кремнійорганічні рідини, що виробляються на підприємствах хімічної промисловості України мають більш сприятливі економічні показники [6].
Таблиця 3
Основні властивості деяких кремнійорганічних теплоносіїв за даними [6]
Показник ПМС-10 ПМС-1000 ПФМС-4 ПФМС-6 ФС-Т-5 ХС-2-1ВВ Сополімер 2
1 2 3 4 5 6 7 8
Густина при 200 С, кг/м3 901 965 1100 1079 1090.. .1100 1030... ...1040 1027. .1046
Кінематичний коефіцієнт в’язкості при 200 С, м2/с • 10-6 9,77 1013 600. 1000 1800.3 000 5 4 8 3 85 2 4 о
Температура спалаху, у відкритому ТИГЛІ, С 170 315 335 330 285 330 240
Температура нормального КИПІННЯ, С 250 330 290 350 250 250 200
Температура 0/~л застигання, С мінус 60 мінус 60 мінус 20 мінус 5 мінус 105 мінус 90 мінус 63
Питома теплоємність при 100° С, Дж/(кг-К) 1760 1565 1657 1657 1838 1998 -
Коефіцієнт теплопровідності при 1000 С, Вт/(м • К) 0,125 0,154 0,138 0,139 0,130 0,153 -
В технічному аспекті у кремнійорганічних рідин типу ПМС найважливішою властивістю є їх порівняно слабка залежність в’язкості від температури (зокрема, при температурах нижче 00 С), що виключає необхідність застосування потужних циркуляційних насосів у циркуляційних контурах теплових апаратів [6, 7].
Як видно з даних табл. 2 марка ПМС відповідає значенню коефіцієнтів кінематичної в’язкості. Характерні значення в’язкості кремнійорганічних рідин пов’язані з їхньою молекулярною масою. Як правило, кремнійорганічні рідини це високомолекулярні речовини
2 6
з молекулярною масою М, що лежить у межах: 10 < М < 10 .
Величина в'язкості ^ сильно залежить від молекулярної ваги полімеру, експериментальним шляхом установлені такі закономірності [6]:
^0 ~ сопЇ1 • Мп, п = 1/2 * 1, М < Мкрг Мкр * 3 • 104,
^0 ~ соп$ї2 ■ Мп, п « 3,5, М > Мкр
де М и Мкр - це молекулярна маса полімеру, а Мкр - значення молекулярної маси, при
якому показник ступеня п змінюється стрибком .
Кремнійорганічні рідини є степеневими, тобто такими, в’язкість яких залежить від швидкості зрушення за степеневим законом наступного вигляду [7]:
ц = к(єn ) (2)
В'язкість кремнійорганічних рідин залежить від температури й тиску таким чином [7]:
^ = /и0 (exp- E / RT ) • ^exp P / P* ^ • sn_1 (3)
Перший множник є Арреніусовим, як у хімічній кінетиці, а в другому множнику
/•\ . _ О n 2/h
величинаJ має таке оціночне значення: kp ~10 .
Треба зазначити, що показник ступеня n для різних кремнійорганічних рідин є різним і його значення слід визначати експериментальним шляхом [7 ].
Висновки
Наведені властивості та отримані результати попередніх досліджень, про застосування кремнійорганічних рідин, як теплоносіїв дозволяють зробити наступні висновки. Інтенсивність теплообміну суттєво залежить від руху теплоносія, що визначається гідравлічним опором трубопроводів і каналів теплообмінних пристроїв. При циркуляції кремнійорганічних рідин, як теплоносія, рух у трубах, каналах теплогенеруючих пристроїв буде переважно ламінарним на відміну від води або пари, рух яких є турбулентним. При цьому температурні приграничні шари будуть значно тонші, ніж гідродинамічні, але мале значення температурного приграничного шару не зможе цілком компенсувати зменшення числа Рейнольдса, яке пов'язане з ламінарним характером теплообміну. Крім цього, завдяки достатньо високої в'язкості, зростає навантаження на гідравлічні прилади і тому необхідно вміти проводити інженерні розрахунки гідравлічних опорів при течії рідин високої в’язкості в каналах різної геометрії. Але на сьогодні майже немає науково обґрунтованих розрахункових методик визначення реодинамічних та теплообмінних параметрів течії неньютонівських рідин, що суттєво стримує їх подальше широке використання, як теплоносіїв, на підприємствах хімічної та харчової галузей.
З огляду на це, перспективним напрямком є вивчення реодинаміки та основних теплообмінних параметрів високомолекулярної рідини, як альтернативного теплоносія з метою підвищення ефективності теплообміну при проведені різноманітних технологічних процесів хімічних та харчових виробництв.
Список літератури
1. Процессы и аппараты химической технологии. Явления переноса, макрокинетика, подобие, моделирование, проектирование : В 5 т. Т. 2 : Механические и гидромеханические процессы / [Д. А. Баранов, В. Н. Блиничев, А. В. Вязьмин и др.]; Под ред.: А. М. Кутепов. К. : Логос - 2002. - 599 с. : ил., табл.
2. Білецький Е. В. Лопухіна О. А. Пути оптимизации технологических процессов
пищевых производств //«Химия, химическая технология и экология». Вестник
национального технического университета «ХПИ». Сб. научн. тр. - Вып. 23. - Харьков: НТУ«ХПИ» 2001. - С. 34-39.
3. Білецький Е. В. Розробка апарата для термостатування готових страв з проміжним кремнійорганічним теплоносієм для малих підприємств харчування: дис. канд. техн. наук : 05.18.12: захищена 17.11.1998 р. : затверджена 17.01.1999 р. / Білецький Едуард Володимирович. - Х., 1998. - 155 с.
4. Потапов В. О. Нові технічні рішення в проектуванні обладнання для теплової обробки харчової сировини : монографія в 3 ч. Ч. 1. Підвищення ефективності жарильного обладнання з використанням кремнійорганічних речовин / В. О. Потапов,
О. В. Петренко ; за заг. ред О. І. Черевка, В. М. Михайлова. - Х. : ХДУХТ, 2012. - 139 с.
5. Кремнийорганические вещества [Электронный ресурс]. - Режим доступа http:// www.polimer.net/klassifikacija-materialov/item/1718-kremnijorganicheskie
6. Высокотемпературные теплоносители [ Электронный ресурс]. - Режим доступа : < http://www.libriz.net/.../80834-visokotemperaturnie-teplonositeli-i-ih-primenenie.html>.
8. Олигоорганосилоксаны. Свойства, получение, применение / Соболевский М. В., Скороходов И. И., Гриневич К. П. и др./Под ред. М. В. Соболевского — М.,: Химия, 1985. — 264 с, ил.
USE OF HIGH MOLECULAR HEAT CARRIERS IN RHEODYNAMICS
E. B. BILETSKIY, Сandidate of Science (technology), deputy director Kharkiv institute of trade and economics of Kyiv University of trade and economics,
Kharkiv
The article analyses state-of-the-art research in the use of non-Newtonian fluids as heat carrears in heat processes in chemical, food, and processing industries.
1. Baranov, D.A., Blinichev, V.N., Vyaz’min et al. (2002). Mechanical and hydrodiynam-ical processes. [Mekhanicheskiye I gidromekhanicheskiye protsessy]. In: Kutyepov, A.M. (editor). Processes and machinery of chemical technology. Transfer phenomena, similarity, modeling, designing. [Protsessy i apparaty khimicheskoy tekhnologii. Yavleniya perenosa, mikrokinetiki, modelirovaniye, proyektirivaniye].In 5 Vol., Vol. 2. Kiev, Logos, 2002, 599 p., illustrations, tables.
2. Biletskiy, E.V., Lopukhina O.A. (2001). Ways of optimization of food production technological processes. [Puti optimizatsii tekhnologicheskikh protsessov pishchevykh proiz-vodstv]. Vestnik of NTU “HPI”, Kharkiv, Vol. 23, pp. 34-39.
3. Organic silicon substances. [Kremniyorganicheskiye veshchestva]. Available at http:// www.polimer.net/klassificacija-materialov/item/1718 kremniyorganicheskie.
4. Biletskiy, E.V. (1998). Design of the machinery for thermostating prepared food products with intermediate organic silicon heat carriers for small-sized food enterprises. [Rozrobka aparata dlya termostatuvannya gotovykh strav z promizhnim kremniyorganichnym teplonosi-yem dlya malykh pidpriyemstv kharchuvannya]. Cand. diss. (tech.), defended 17.11.1998, adopted 17.01.1999. Kharkiv, 155 p.
5. High temperature heat carrears. [Vysokotemperaturniye teplonositeli]. Available at: http://www.libriz.net/.../80834-visokotemperaturnie-teplonositeli-i-ih-primenenie.html.
6. Potapov, V.O., Petrenko, O.V. (2012). Improvement of frying equipment using organic silicon substances. [Pidvyshchennya efektyvnosti zharyl’nogo obladnannya z vyko-rystannyam kremniyorganichnykh rechovyn]. In: Potapov V.O. New technical solutionsin designing equipment for heat treatment of raw food materials. [Novi tekhnichni rishennya u proektuvanni obladnannya dlia teplovoyi obrobky kharchovoyi syrovyny]. Editors Cherevka O.I., Mikhaylova, V.M. In 3 Vol., Vol. 1, HDUHT, 2012, 139 p.
7. Sobolevskiy, M.V., Skorokhodov, I.I., Grinevich, K.P. et al. (1985). Oligoorganosi-loxanes. Properties, production, employment. [Oligoorganosiloksany. Svoystva, polucheniye, primeneniye]. Editor Sobolevskiy, M.V., Moscow, Khimiya, 264 p.
Поступила в редакцию 16.12 2013 г.
