Введение к работе
Актуальность проблемы. Традиционным для пищевой технологии является использование пленочных течений, в которых еф-фективно могут быть реализованы самые различные типы процессов: охлаждение жидкостей, выпаривание растворов, конденсация, дезодорация, абсорбция, перегонка и т.д. Однако потенциальные возиожности, заложенные в использовании тонких слоев {пленок) жидкости или газа, оказывается шире и выходят за рамки перечисленных процессов.
На предприятиях кондитерской, хлебопекарной, пшдэкон-центратной и других отраслей пищевой промышленности конечный продукт, как правило, представляет собой штучное изделие, либо фасуется в соответствующие коробки, упаковки, брикеты, пачки, которые непосредственно попадают под понятие штучного изделия. При этом практически обязательной операцией здесь является транспортировка изделий с одной рабочей позиции на другую, где реализуются те или иные технологические процессы (выстойка, нагрев, охлаждение и т.п.).
В настоящее время для подачи штучных изделий традиционно используются разного рода механические конвейеры, наклонные лотки, виброустройства и т.д., которые функционируют в ряде случаев независимо, от соответствующего технологического оборудования. Перспективным направлением в этой области является использование пневматических конвейеров для пода-яі и одновременной технологической обработки (например, гкпя охлаждения) отучннх изделий. Возможность такого совяеоегая операций обусловлена тем, что при транспортировке иод изделием принудительно формируется тонкий воздушгчЯ слой (мгсу-гаяя Прослойка), ПОДДерЖИВапЩИЙ ОГО ПО РЗВеїГ-сжТОЧ OaTO>!i'i-ys.
При этом изделие интенсивно обдувается струйными потоками. Выбор же соответствующих параметров воздуха (расход,. температура, влажность) как раз и способствует протеканию требуемых процессов.
Кроме возможности совмещения транспортировки штучных изделий о соответствующими технологическими операциями (типа охлаждения и нагрева), пневматические конвейеры обладают еще рядом качеств, положительно отличающих их от традиционных, чисто механических средств внутрицехового транспорта. К числу таких преимуществ следует отнести:
- отсутствие подвижных механических частей, за исключе
нием собственно объекта транспортирования;
. - простоту .конструкции;
высокие динамические характеристики;
упрощенное решение традиционных проблем непрерывного транспорта типа поворота и ветвления конвейерных линийj
практически отсутствие механического контакта между изделием и элементами транспортной системы.
Однако, несмотря на очевидные преимущества, до настоящего времени комплексны? подход к разработке устройств такого рода, допускавших совмещение транспортировки пищевых продуктов с их технологической обработкой, не был проработан в должной мере, чем и объясняется актуальность выбранной темы исследования.
Цель исследований. Совершенствование существующего и разработка принципиально нового технологического оборудования для реализации процесса транспортировки пищевых продуктов с их одновременной тепловой обработкой типа нагрева ил»: охлаждения на базе систем с гидродинамическими несущими прослойками.
5 Задачи иооледоШтяі
- професій систематизацию существующих представлений о
схемах течения жидкости или газа в тонком слое для случая,
когда по крайней мерэ одна из поверхностей, ограничивающих
этот слой (несущую прослойку), является свободной}
- разработать простив, универсальные и одновременно достаточно надежные подходы к построению приближенного ре-езния различных задач гидродинамики и конвективного тепло-порзноса в системах с несущими прослойками применительно к подачз и охл&ядеюго голевых продуктов;
- на основе математического (Моделирования установить и
проанализировать фуннциональшз взаимосвязи параметров штуч
ных изделий, несущей прослойки, рабочей жидкости или газа,
а также соответствующие условий протекания теллообменных процессоз і
проанализировать воздаяность распространения подходов к построению приближенного решения задач гидродинамики и конвективного тепломассопереноса на случаи пленочного течения кидкостп по жесткий поверхностям различной пространственной конфигурации, а также на случаи формирования несущей прослойки посредством фазовых переходові
исхода из теоретических и эксперименталышх результатов иселедоаания, обосновать работоспособность пневматических конвейеров для подачи м охлаждения атучных изделий на воздушной песуизй прослойке, а также рентабельность юс применения на предприятиях пищевой промышленности;
разработать методику инженерного расчета параметров и расходно-перепадных характеристик устройств с поздуеной несущей прослойкой для подачи и охлаждения штучных изделий;
используя эффект гидродинамической несущей прослойки,
разработать перспективные устройства для транспортировки и одновременного охлаждения штучных изделий.
Объект и методы исследования. Объектом настоящего иссле дования являются системы с тонкими несущими прослойками жидкости или газа, а также происходящие в них гидродинамические и тепловые процессы применительно к пищевой прошшл&ннооги.
Основные теоретические задачи работы решались о привлечением математического аппарата, который традиционно используется при рассмотрении дифференциальных уравнений в частных производных. С цельв проверки полученных расчетных соотношений, а также учета факторов, не нашедших отражения в теоре-. тических разработках, было проведено экспериментальное иссле-. дование на специально созданных установках и макетах. Решение полученных теоретическим путем уравнений и обработка экспериментальных данных проводились с привлечением ЭВМ.
Научная новизна.
Предложена структурная классификация существующих схем формирования несущей прослойки во взаимосвязи с ее агрегатным состоянием, а также агрегатным состоянием смежных с нею частей пространства.
На основе методов разложения искомых фгннций в ряды по степеням поперечной координаты, а также малого геометрического параметра системы предложены подходы к проведению инженерного расчета характеристик подачи продуктов и их тепловой обработки типа охлаждения на несущих прослойках.
'- Для различных пространственных схем течения, формы опорной поверхности изделия и типов питающих элементов теоретически получены соотношения для распределения избыточного давления в несущей прослойке, ее толшины, компонент век-
тора скорости рабочей жидкости или газа. Установлены теоретически и проверена експериментально закономерности влияния формы зазора несушей прослойки на распределение избыточного давления и величину расхода рабочей жидкости (газа). Доказана устойчивость положения равновесия изделия на несущей прослойке. Получены расчетные соотношения, касающиеся различных вопросов функционирования пневматических конвейеров: динамики изделий на несущей поверхности; перераспределения расхода'воздуха между питающими отверстиями, соответственно, открытыми и перекрытыми опорной поверхностью изделия; влияния расхода воздуха на результирующий коэффициент трения изделия о несущую поверхность устройства.
Применительно к различным типам граничных условий на жестких поверхностях, ограничивающих область несущей прослойки, и разнообразные пространственным схемам течения получены приближенные решения задач конвективного теплопереноса в тонких слоях и приводятся расчетные соотношения для местного значения коэффициента теплоотдачи. В сопряженной постановке решены задачи теплопереноса в системе "Несущая прослойка -обрабатываемое изделие". Выявлены закономерности динамики процесса сублимации изделия при его контакте с нагретой поверхностью.
Получены рзаенил задач гидродинамики и конвективного тепломассошреноса для течения пищевых жидкостей по поверхностям различной пространственной формы применительно к процессу охлаждения, а также выпарным и массообменньщ аппаратам. Рассмотрен процесс пленочного кипения жидкости, в том числе изучены закономерности динамики испарения капель в сфероидальном состоянии.
Предложена методика инженерного расчета параметров и
расходных характеристик пневматических конвейеров для подачи и одновременного охлаждения штучных пищевых изделий. Разработаны устройства, реализующие принцип воздушной несущей прослойки и обеспечивающие транспортировку и эффективное охлаждение изделий. Новизна предлагаемых технических решений подтверждена . авторскими свидетельствами.
На защиту выносятся модельное представление о системах с тонкими несущими прослойками жидкости или газа, единые подходы к математическому описанию происходящих в них гидродинамических и тешгомассообмешых процессов,, а также техническая новизна реализующих их устройств.
Практическое значение работы. На основе теоретических и "экспериментальных результатов разработана методика инженерно-то -расчета .параметров и расходно-перепадных характеристик устройств для подачи и одновременной бесконтактной (в механическом смысле) технологической обработки типа нагрева или охлаждения штучных пищевых изделий.
„ Спроектированы пневматические конвейеры - накопители для подачи пачек сахара-рафинада и брикетов пищевых концентратов в упаковочный автомат типа А.5-.АУМ. На базе экспериментальных исследований с различными фасованными продуктами заложены основы реализации мероприятий по снижению трения в расфасовочно-упаковочноы оборудовании на примере автомата
Разработаны устройства для подачи и охлаждения намазанных вафельных пластов. Годовой экономический эффект в расчете на одно такое устройство составляет 85,5 тыс.рублей.
Теоретические результаты' работы носят достаточно обииК характер. Это позволило распространить их на химическую, ыааз!ноогроительнув н другие отрасли промышленности . При-
менительно к полимерноцу производств/ спроектирована система для охлаждения полосовых Материалов на газо-жидкостной несущей прослойке. Разработаны устройства для бесконтактного захвата жидко-кри:.!шшческих индикаторов.
Технические предложения, разработанные проекты, методи-*-ка расчета переданы Воронежскому Научно-производственному объединению упаковочного машиностроения, Алтайскому филиалу ВНИИМС, ШЮ "Углич", кондитерской фабрике "Воронежская" для практического использования. Кроме того от шести организаций поступили запросы на возможное использование отдельных результатов исследования.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 24 Всесоюзных научно-технических конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах, в том числе "Проблемы механики наземного транспорта" (Днепропетровск, 1977); "Четвертый Всесоюзный симпозиум по пневматическим (газовым) приводам и системам управления" (Тула, 1981); "Теоретические и практические аспекты применения инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств" (Москва, 1982, 1986, 1990); "Контейнерный трубопроводный транспорт" (Новополоцк, 1984); "Проблемные вопросы автоматизации производства" (Минск, 1984); "Повышение эффективности, совершенстваваниа процессов и аппаратов химических производств" (Харьков, 1985); "Пятый Всесоюзный симпозіум по пневматическим (газовым) приводам и системам управления"(Іуда, 1986); "Разработка и совершенствование технологических процессов, машин и оборудования для производства, хранения и транспортировки продуктов питания" (Москва, 1987); "Проблем-
ныв вопросы автоматизации производства" (Воронеж, 1987)j "Современные проблемы триботвхнологии" (Николаев, 1966); "Теплофизика и гидродинамика процессов кипения и конденсации" (Рига, 1988); "Газовая смазка в приборах и машинах*(Ростов-на-Дону, 1989); "Пневмоавтоматика и пневмопривод" (Суздаль, 1990), а.также на X международной конференции "Пневматические и гидравлические устройства и системы управлений. Яблон-«3-86" (Москва, 1986).
Отдельные результаты отражены в отчетах по хоздоговорным НИР, выполненным при непосредственном участии автора в качестве ответственного исполнителя. Некоторые материалы диссертационной работы используются в учебном процессе и дипломном проектировании.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 103 печатных работы, а том числе I монография и І брошюра. Получено 84 авторских свидетельства на изобретения.
Об^ем,работы. Диссертация состоит из введения, шести
глав, выводов, списка литературы из 386 наименований и прило
жения. Основное содержание работы изложено на 304 страницах
и включает 112 рисунков. Объем приложения составляет 194
страницы. ,v
СОДЕРШШЕ РАБОЙ . Глава I. Современное состояние теории процессов и
аппаратов пищевых производств, основанных на
принципе гидродинамической несущей прослойки
. Хорошо зарекомендовавшим себя подходом к реализации
процессов пищевой технологии стала организация их протекания
в условиях тонкого слоя жидкости или газа. В перд/s очередь
это" относится к плакочнозу регю»у іечзшп жидкомп и погра-
ничным слоям, возникающим на обрекаемых внвішим потоком поверхностях.
Sue одний примером использования тонких слоев яьляюгся пневматические конвейеры для подачи на воздушной несущей прослойке штучных пвдевых изделий о одновременной их тепловой обработкой тепа нагрева или охлаждения»
Иэ смотря на разнообразна известных конструкций пневма
тических конвейеров, все оии построены примерно по одной схе
ме {рис.1}. Основу усгройства составляет пневматическая каме
ра I, верхняя крышка которой играет роль несушей поверхности
2. В несушей поверхности располагаются питающие елементи 3,
предназначенные для подвода воздуха под опорную поверхность
изделия 4. .
Рио.1. Схеыа пневмоконвейера.
В качества питаюиих элементов 3 могут быть использованы сквозные отверстия, пористые вкладам, карманы с перфорированным дном, разного рода клапаны и т.п.
Работают пневматические конвейеры следующим образом. В камеру от внешнего источника (например, вентилятора) подается воздух, когорыП, выходя через питающие элементы, попадает под опорную поверхность изделия и создает здесь воздушную нзсуігую прослойку. Свосодио зависая на воздушной прослойке из-
12' делия могут перемещаться вдоль несущей поверхности устройства под действием самых различных типов силового воздействия: скатывающей составляющей собственной силы тяжести изделия на наклонной несушей поверхности, силы динамического давления струй воздуха, истекающего из питаших элементов, увлекавшей силы вязкого трения в несущей прослойке и т.д.
Приведенные выше примеры пленочного течения жидкости, пограничного слоя на обтекаемых поверхностях, рассмотренные ' только что более подробно пневматические конвейеры и некоторые -Другие примеры имеют одну, объединяшу» их обоую черту, состоящую в следующем. Основные гидродинамические и гепло-ыассообменные процессы в отих системах протекают в тонких слоях кидкости или газа.
Обобщая приведенные примеры введем в рассмотрение понятие системы с гидродинамической несущей прослойкой (НП), под которой будем понимать достаточно тонкий слой жидкости или газа, ограниченный двумя поверхностями, по крайней мере одна из которых является свободной и находится под действием заданной совокупности внешних сил.
Анализируя основные типы устройств, которые в той или иной мере попадают под понятие системы с несущей прослойкой, можно видеть, что собственно несущая прослойка формируется двумя основными путями. Первый путь является чисто механическим и состоит в принудительном нагнетании жидкости или газа от внешнего источника в область несущей прослойки, как это имеет место, например, в случае пневматических конвейеров. Второй путь состоит в реализации различных фазовых переходов типа сублимации, конденсации, испарения, плавления на соответствующей поверхности при условии, что образуемая при этом гадкая или газообразная фаза формируется в тонкий
2-А,
Z-6 _ t-if-ф:
:-Vt7-
. W і- /
111..
t t
8 _ _
» . »
:і:і:і:і:
n n n
І :i- :! :i-
:! > :i :
.і- .f :i- :!
UJLi
f f:t-t-
t" -1- * -Г
Piic.2. Струкїурная классификация систем с гидродинамическими несущими прослойками
слой.
Приникая тогда в качестве характерных признаков способ формирования Ш и ее агрегатное состояние в совоіупнаоти о агрегатный состоянием частей пространства, непосредственно примыкавших к области течения, пдадсодим к отрукчурноЙ классификации систем с гидродинамическими несущими прослойками (рис.2). Расшифровка обозначений, представленных на позициях атой таблицы, приводится на рис.3. Такая классификация соответствует наиболее часто встречающемуся случаю» когда лишь одна из поверхностей, ограничивающих область ВД( является свободной, а другая имеет "жесткое" исполнение. Расщиренкый вариант классификации с Щ, ограниченными дцумя свобрдными поверхностями, представлен в основном тексте диссертации.
.
Питашшй
<Ф,. ттчтп-jr- ЗЛвМЄИТ
VZS С9 S»
**"*_ ^^.- Еидкость
Ь ц * .
* * * Газ
v . Кассовые 1 1 > потоки
Система 0. $у внешшх
"*' сил
Рис.3. Основные обозначения структурной классификации
Не смотря на разнообразие возможных типов систем с НП, общим здесь является то, что протекающие в них гидродинамические и теплоыассообменные процессы в математическом плане
описываются одной и той жо исходной системой уравнений, включая уравнения Навье-Стокса, условие неразрывности, а также уравнения конвективного тепло- и массопереноса
,±>
9 /w.
4 I'W,. >МЦ, >«< ft.
— і .. .i ... + ,........ ,,н „g;
(І)
—— +
записанные в произвольной криволинейной ортогональной системе координат (рис.4) в приближении тонкого слоя. Здесь использованы традиционные обозначения основных параметров, а И, .И, - представляют собой коэффициенты Ламэ для
VK*
Рис.4. Криволинейная ортогональная система координат
криволинейных осей х, и Kt . При отом предполагается , что Hjsl. Различие se отдельных типов систем с НП проваляется лишь в постановке соответствующих граничных условна.
Глава 2. Подходы к построении прибликанного решенид задач конвективного тепломассопереноса в системах с несущими прослойками
В качестве основного подхода к построение приближенного решения системи уравнений (I) использовали метод разложения искомых функций ( компоненты скорости потока, температура, концентрация ) в ряды по степеням безразмерной поперечной координаты вида
у'.Ч*-*
«.-а у' А'^ . u' Wj" і I j- у' x* - і! *>
"-* * * *
иь-т, «.-U.3, т_, И3=-,
где и/, , т^' , с< - неизвестные пока коэффициенты разлоао-ник; L# , -Ь, , V. , Т, , Т„ - характерные значения, соответственно длины, времени, скорости а также двух температурі
Vj - граничное значение для компоненты скорости U3 на по-вврхлости Х3 «О» Р-. . р8 - показатели степени для размер-
носгей криволинейных координат (как правило зти показатели принимают значения 0 или I). С учетом (2) исходная система уравнений (I) после некоторых преобразований и переиндексации трансформируется к виду
У(ц'\*4*ь,-ц?{Э1.Ь?--1 H)JttWt/„' >Н» .' ан; \1 . «1н; а*; и; а< " І(/Ні' \и*а«і"^",'Я
1 +
«(к+2Х^0тД; к.0,<,... (5)
г *т; * j*
-*-,. p'.P; р'Л; f/.Jl;. J. ,,*.,;
^ ft
где F, , P, - характерные, принимаемые в качестве мчсшьбоа, значения, соответственно, массовой сили и дуедєния; Ік, , ік,
- символы Кронекера; Р, - неизвестная функция продольных координат и времени.
Уравнения (3)-(5) предназначены для определения Р,' , а также коэффициентов разложения Uj*. и Т* .
По аналогии с (5) ыожет бить записана подсистема уравнений и для определения коэффициентов разложения * для концентрации.
В силу своей неааикнутости система уравнений (З)-(б) должна быть дополнена группой уравнений , вытекапцих из соответствующих граничних условий, индивидуальных по своей форме для каждой конкретной задачи в отдельности.
Аналогичкда образом был рассмотрен подход к поотроенда приблияанного решения задач гидродинамики и тепломаесоперено-оа для случал пленочного течения, когда теплофиаические характеристики пищевой жидкости зависят от концентрации одной иа своих компонент.
Кроме указанных подходов построение приближенного решения ряда задач проводилось также на основе метода малого параметра, в качества которого принималось огношакие характерного поперечного размера несущей прослойки к характерно^ продольному размеру.
Глава 3. Поддержание и транспортировка штучних изделий на несущей прослойке На основе рассиотренных в предыдущей главе подходов проведено теоретическое и экспериментальное исследование гидродинамических процессов в несущей прослойке, ограниченной жесткими поверхностями.
Изучено влияние форми зазора несущей прослойки на распределение давле>шя в ней ,а такяа на расходше характеристики
системы. В частности теоретически доказано и зксперимєнтально проверено, что в плоском сдучае при прочих равных параметрах избыточное давление в кавдой точке монотонно сунающегося зазора прослойки всегда превосходит давление в соответствующее точке (с тем же значением продольной координаты) ыонотон-' но расширяющегося зазора. Применительно к расходным характеристикам показано, что при прочих равных параметрах и задан- ном кратчайшем расстоянии ме;кду несушей поверхностью системы и опорной поверхностью изделия минимальное значение потребляемого расхода воздуха достигается в случае плоскопараллельного зазора.
Рассмотрены различные схеми течения а несушей прослойке
при подвода воздуха, например, через цилиндрическое или щзлв-пое питающее отверстие, пористые вкладной различной конфигурации, питающие карманы с перфорированным дном.
В случае оеесишетричного течения изучены особенности распределения избыточного давления з несущей прослойке в окрестности цилиндрического иита^сего отверстия. Показано,что при выполнении следующих ограничений
-<*«*' " so^r>,; (6)
а окрестности цилиндрического питающего отверстия в несущей прослойке появляется зона отрицательного избыточного давления. Последнее достаточно хороио качественно согласуется.с известными результатами других авторов. В (6),в дополнение к ранее введенным,приняты слевуецие обозначения: R,,R - радиус, соответственно, питающего отверстия и олорнсй поверхности изделия в форме диска; Q - объемный расход воздуха, поступающего через питающее отверстие под изделие.
3 ходе теоретического исследования расскйтрін^.т^сь рэз- '
личные формы опорной поверхности изделия; изделия в форме диска} ленточный, полосовой ыатвредл$ изделия о прящуголь-ной формой опорной поверхности» Последний случай представляет непосредственный интерес с гочни арения транспортировки пищевых продуктов, расфасованных в лдчки, коробри, брикеты. Соответствующие такоцр случаи распределение избыточного давления в несукей прослойке, запитвваеыой через симметрично расположенное щелевое питающее отверстиэ^и ее толщина описываются следующими соотношениями.
(7)
Здесь
где x,'**,/^ ; Ajs-X^/L^ --координати, отсчитываете, соответственно, перпендикулярно шітаюїдей вели и вдоль нее от геометрического центра опорной поверхности; h .- толщина несущей прослойки; Ра[~ „.„./Р, - избыточное давление в питающей камере; 2 , 2Ьг - геометрические размеры опорной Поверхности вдоль соответствующих осей і 2Т>„, \ - ширина питающей щели и коэффициент ее расхода; Р„с Рм/Р« зпаче-
ниє избыточного давления под геометрическим центром опорной поверхности изделия; и - параметр интерполяции; G , , -сила тяжести изделия и площадь его опорной поверхности", к.* -безразмерный коэффициент пропорциональности.
Как видно из построенных с учетом (7) и представленных ' на рис.5 кривых» каксшальное значение толщины несущей прослойки достигается при прочих равных параметрах для изделий с формой опорной поверхности близкой к квадратной.
В этой же главе изучена устойчивость положения равновесия изделий на несущей прослойке.
С целью проверки полученных расчетных соотношений, а также учета факторов, не нашедших отражения в теоретических построениях, было проведено экспериментальное исследование.
Показано, что толщина несущей прослойки в общем случае определяется из выражения
к *»ШоГ F , дЧбу^ (В)
где Н, , 0, - число питающих отверстий, перекрываемых опорной поверхностью изделия, и объемный расход воздуха, истекающего из одного такого отверстия; F„„. - результирующая сила динамического давления струй в опорную поверхность изделия; Л„, - угол наклона питающих отверстий к горизонтальной, несущей поверхности. Здесь коэффициент пропорциональности К, учитывает влияние на толшку прослойки основных геометрических параметров несушей поверхности (тип питающих элементов, их размеры, характер расположения и т.п.).Например, в частном случае равномерно-перфорированной несущей поверхности, когда питавшие отверстия располагаются б узлах чтадратнеЯ сетки с шагом I , но основе обработки энспери-
ментальных данных получено
4 = 3,826 (-^-р5**; 5^ 1/(2Ю<.Б0і "(9)
Особенностью функционирования пневматических конвейеров является то, что не все питаюпнш отверстия находятся в одинакова условиях. Часть питавшій отверстий перекрывается опорной поверхностью изделия и истечение воздуха из них происходит в несущую прослойку, т.е. область ловишенного давления. Другая часть отверстий остается открытой и истечение из них происходит в атмосферу. Учет возникающего при этом перераспределения расхода воздуха, который может повлиять на нормальное функционирование устройства, проводится с привлечением соответствующих,полученных в работе соотношений. При этом, как правило, расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10.
Важными характеристиками пневматических конвейеров являются их динамические характеристики. В случае (рис.6), когда в качестве внешней системы двімувих сил для изделия выступают скатывающаяся составляющая собственной силы тяжести на наклонной несущей поверхности и силовое воздействие струй воздуха, истекающего из питающих отверстий, его движение вдоль пневматического конвейера описывается следующим соотношением
(Ю)
0 Г 2 3 A . 5 6 7 Й 9 \/\
Ric.5. Зависимость безразмерного коэффициента пропорциональ
ности в выражении для толщины несуией прослойки от
отношения сторон опорной поверхности
2Й. . 2JL
Рис.6. Расчетная схема пневматического конвейера
',2{-0,3
0,4
г,о
Изделие: пачка сахара-рафинада / ГОСТ 22-78 . /
ъ/ / г/
S,S fc.fl
Рис.7. Изменение продольной координаты изделия с течением ' времени на участка разгона'
где Хп - начальная скорость изделия; Н , 2Ь4 - высота задней грани изделия и длина его опорной поверхности в направлении движения; N - общее число питающих отверстий, расположенных й виде одного центрального ряда! , р, длина пневьіоконвейера и Угол наклона его несущей поверхности к Горізонту) fB - козф|ициент трения бокоБілх граней изделия о направляющие гойнкИ| «4б - точность гориаонтирования несущей поверхности й поперечном направлении; Ц„ ,(3^-объемкый расход воздуха, йетекайщаго' из одного питавшего отверстия, соответственно, открытого и перекрытого опорной поверхностью изделия. Для примера на рис.? представлены экспериментальные зависимости продольной координаты А, изделия от времени на начальной участке пиёшоконвэйора - участке разгона.
В ряде приложений представляет интерес рассмотрение промежуточного режима,работы системы типа пношоконвейер, когда изделио на зависает свободно на дасуіцей прослойке, но тем не менее подача воздуха (газа) под єґо опорную поверхность осуществляется. Характерной чертой такого режима работа является то, что наличие поддува приводит к снижению кооффициен-та трения опорной поверхности ивделия о несущую поверхность система; Оценка значения результирующего коэффициента трения і может быть проведена с учетом соотношения
где fet - коэффициент сухого трения', лЬ - средняя высота зазора, обусловленного микрокеровностями и степенью взаимоплоскостности, между опорной поверхностью изделия и несущей
поверхностью системи при отсутствии подачи воздуха.
Глава 4. Процессы твплопереноса при технологической обработке штучных изделий на несущей прослойке
Кал уже отмечалось выше пневматические конвейеры предполагают простое совмещение транспортировки изделий с некоторыми . видаю из технологической обработки типа нагрева или охлаждэ- . тц. Реализация процессов тепловой обработка, штучных изделий' непосредственно связана с изучением процесса конвективного тепловерелооа в системе о несущей прослойкой.
Используя рассмотренные во второй главе подхода я построении .приближенного решения, применительно к разнообразным пространственны).! схемам течения и различным типам граничных. условий были получены решения задач конвективного таплопаре-яоса в тонких слоях. В тех случаях, когда для некоторых из этих задач известии точные решения других авторов, проводятся сравнение вытекающих из них значений критерия Нуссельта с соотвэтствугмгакз значениями критерия Нуссельта, полученяшш заходя яо приблизнішого подхода. Рассиотраии случал плоского л радиального течения теплоносителя, а татке ого течения в с.Торпчесном слое, как для зазоров несущей прослойки постояннее толцгпи, так и для зазоров произвольного профиля.
Для выяснения тепловой обстановки внутри обрабатываемого яздэлвл был рассмотрен ряд задач ташгопореноса.в сопря-авігаой постановко.
В качестве примера укайам, что для плоского случая, когда к верхней грани изделия подводится тепловой поток заданной постоянной плотности ц, , а па его боковых гранях осуществляется теплообмая с. окружавшей средой при заданной значении коэффициента теплоотдачи << , распределения температуры в
обрабатываемом изделии Т„ и несущей прослойке Т и первом приближении описываются следующими соотношениями
i;-W-e.;-J.fc|j б/=4; (із)
где X, - продольная координата, отсчитываемая вдоль пасущей поверхности от центрального питающего отверстия) *і -поперечная координата, отсчитываемая от несущей поверхности перпендикулярно к ней; Ч , 2.Ь - высота изделия и диаметр опорной поверхности; fw, Т, - температура, соответственно, несущей поверхности и окружающей среды; її - корни характеристического у равнения (13); J» ,'>< - функции Бесселя нулевого и первого порядка; Яй - коэффициент 'теплопроводности изделия; Тм - некоторая характерная температура процесса обработки.
Наряду с теоретическими разработками было проведено экспериментальное исследование процесса теплопереноса в системе "несущая прослойка - обрабатываемое изделие". Такое исследова-
ниє позволило уточнить ряд результатов, посредством учета факторов не нашедших отражения а теоретических проработках.
На основе обработки экспериментальных данных для случая равномерно-перфорированной несущей поверхности получено следующее критериальное уравнение, списывающее теплоотдачу на опор-, ной поверхности изделия
l га./
It <
(14)
Отличием (14) от хорошо известных критериальных уравнений-применительно к течении теплоносителя в каналах с фиксиро-ванными стенками является то, что толщина несущей прослойки (в традиционной терминологии поперечный размер капала) на является постоянной и в обою очерздь зависит от расхода подаваемого газа, а также удельной нагрузки изделия.
. Исследована динамика охлаждения изделий на несущей прослойке и влияние на нее расходных характеристик, а .„ геометрических параметров несущей поверхности.
Как было отмечено в первой главе, второй путь формирования несущей прослойки состоит в использовании фазовых переходов. В этой связи применительно к некоторым смежным областям технических наук был рассмотрен ряд задач и такого рода. В частности изучены вопросы гидродинамики и теплоле; г -носа при формировании несушеЯ прослойки посредством контактной сублимации (или плавления)'на опорной поверхности изделия.
Глава 5. Тепдомассообыенныв процессы при планочном течении кидкиг продуктов
Модельное представление о гидродинамической несущей прослойке охватывает широкий круг самых различных процессов. При этой значительная их часть протекает при пленочны? рожицах течения в аппаратах соответствующих типов. Поэтому непосредственный интерес представляет распространение изложенных в первой главе подходов к построению приближенного решения зада.4 гидродинамики и теплопереноса в несущей прослойке и на этот, важный для пищевой технологии класс процессов.
Для различной формы жесткой поверхности ( плоскость , цилиндр, конуо ) получены приближенные решения задач течения жидкости в пленочном редине и овяэаннмх с этим процессов конвективного тепломассопереноса,
В частном случае пленочного охлаждения жидкости, свободно стекающей по поверхности наклонной плоскости ( рис. 8 ), поддерживаемой при заданной ташієратуре Tw , показано, что в первом приближении распределение геїяізратурц Т в пленке описывается следующим образом
Здесь
V-^VV- B4- - , U^~, P.-j.
где Tc - температура окружающей среды; Т„ - начальная темпера-тура подаваемой жидкости; L4 - принимаемая в качестве масштаба, длина наклонной плоскости; 0. - объемный расход жидкости в рас-
ч >
.8.Расчетная
схема
чете на единицу длины а направлении, перпендикулярном плоскости рис.8; 3 - коэффициент теплопроводности жидкости;
Для предельного случая Л,-»-» показано, что коэффициент теплоотдачи <4W на наклонней плоскости определяется из следующего выражения
4h=U 224(1/61 +4) . rTr,
"*-' — ' іц.щ/ц' {Іб)
Если тепловые потери на внешней поверхности пленки пренебрежимо малы ( 8! — 0), из (16) получаем Ми„ =224/31 «* 7,23.Пос-. леднее значение удовлетворительно (погрешность 4%) согласуется с хорошо известным, общепринятым результатом Нця - 7,52, ' полученным на основе точного решения.
Как следует из (16), значение Я„ зависит от степени интенсивности теплоотдачи на свободноЯ поверхности пленки. При этом максимальное, предельно достижимое значение «(*,„,* в такой системе имеет место, очевидно, для случая Si —» w це_ реходя тогда в (16) к пределу, находим
В качестве еяе одного примера приведем результати решения
одной из задач, в которой рассмотрен процесс выпаривания пленки раствора, свободно стекающей по вертикальной плоскости (рис. 9). Б частности с радом упрощающих доцущений показано, что зависимости толщины пленки раствора Ц и его массовой концентрации С от продольной координаты J( определяются решением следующей системы уравнений
1TKTW **~ь~1'Ш%ії
(.17)
Рис.9. Расчетная схема
где ftcj , fi(t.) , /*(C)- местные значения плотности, теплопроводности и коэффициента вязкости раствора, представляющие собой известные для каждого типа выпариваемой жидкости функции концентрации С } Т„ »Д»Д> ftf - температура насыщения, плотность, а также коэффициенты вяз-ксети и теплопроводности чистого растворителя} С„ - начальная концентрация раствора; L, » Ц - характерные, принимаемые в качестве масштаба значения длину, и скорости! I. -удельная теплота испарения; те - молекулярная масса сухого вещества; М, - начальное значение массового расхода раствора в расчете на единицу длины в направлении перпендикулярном плоскости рис.9; R» - универсальная газовая постоянная; Т^ -температура плоскости.
ЗІ В качестве примера на рис.10 представлены построенные с учетом (17) зависимости толщины пленки раствора от продольной координаты на примере выпаривания сахарного раствора. .
Рис.10. Расчетная зависимость толщины пленки выпариваемого cajcapnoro раствора от безразмерной продольной координаты. С. = 0,15} 5« = I,I6*IG"7} ff = 0,204*ЇО~2; Ле, * 0,І35'І07| ЦІ = 0,261-10^(1)1 0,652*І0~3 (2); 1,304'КГ3 (3).
Аналогично првдогавлвнныы вышо примерам проведен прибли-. пстшй расчет отдельных параметров процесоа конвективного. -.-ч*-. соперешса для пленочного рзгшма течзкия.
В райках модального представления о формировании несущих прослоек посредством фазовых переходов рассмотрены некоторая вопросы, касавяпгаея пленочного режима кипения на вертикальных и горизонтальных поверхностях, включая и явление сфа-' роидального состояния тадкости.
С целью дополнительной проверки изложенных в первой главе подходов был проведен приближенный расчет параметров для случаев динамического и тешзратурного пограничных
слоев на обдуваемой поверхностк, Проведенное сравнение хорошо известного, точного и подученного приближенного решения указывает на их близость (расхождение не превышает 5,), а следовательно на возможность его использования для инженерного расчета параметров охлаждения штучных продуктов внесшим обдувом.
Глава 6. Технические приложения и методика расчета
систем с гидродинамическими несущими прослойками.
Совокупность проведенных экспериментальных и теоретических исследований позволила разработать методику инженерного расчета параметров систем с. гидродинамическими несущими прослойками.
Прежде всего речь идет о расчете расходно-перепадньк характеристик и конструктивных параметров пневматических конвейеров. На основе предложенной методики были рассчитаны, а затем в Воронежском НПО УДШШ разработаны и изготовлены экспериментальные модули пневмоконвейеров - накопителей для подачи штучных изделий, например, пачек сахара-рафинада и брикетов пищеконцентратов в автоматы групповой упаковки типа А5-АУМ.
Используя эффект снижения трения при нагнетании воздуха между трущимися поверхностачи» разработана пневмоншравдя-ющая применительно к упаковочному автомату типа А5-АФА расфасовки сахарного песка в пакеты.
Поскольку пневматические конвейеры предполагают простое совмещение транспортировки штучных изделий с их тепловой обработкой, была разработана методика инженерного расчета их расходных характеристик, а также конструктивных параметров и для этого случая. В соответствии с этой методикой был
расчитан, а затем разработан, изготовлен и испытан экспериментальный модуль устройства для подачи и охлаждения намазанных вафельных пластов. Разработан и защищен авторским! свидетельствами также и ряд других устройств для подачи и одновременного охлаждения намазанвых вафельных пластов. Предлагаемые устройства обеспечивают необходимую степень интенсивности охлаждения, что позволяет сократить время гарантированного достижения пластом требуемой механической прочности до 6+10 минут. Экономический аффект в расчете на оді^у такую установку составляет В5.5 тыс.рублей.
Принимая за.осноЕу принцип гидродинамической несушей прослойки^длп ди/гих отраслей промышленности были разработаны установка для подачи и охлаждения на газожидкостной прослойке полосовых полимерных материалов и устройство для бесконтактного захвата и удержания пластин жидкокристаллических индикаторов.
Результаты проведенных разработок переданы для практического использования Воронежскому Научно- производственному объединении упаковочного машиностроения » НПО УІШ1І1 .Алтайскому филиалу ВНИИМО, НПО "Углич", Воронежской кондитерской фабрике. Еще от шести организаций поступили запросы на предмет возможного использования Некоторых разработок.
Отдельные результаты работы используются в учебном процессе и дипломном проектировании.
В приложение вынесены примеры расчета параметров пнев-моконвейера-накопигеля для пачек сахара-рафинада и устройств для подачи и охлаждения намазанных вафельных пластов. Приводятся тексты 27 программ для ЭШ, а также краткое описание к ним. В виде таблиц сформлены основные результаты расчетов. Здесь же представлены акта испытаний и документы, подтверж-
давшие практическую полезность разработанных устройств.
Основные результаты
-
На основе систематизаідаи существующих представлений о схемах течения кидкрсти или газа в тонком слое для случая, когда по крайней мере одна из ограничивающих его поверхностей является свободной, разработано модельное представление о системах с гидродинамическими несущими прослойками и предложена их-структурная классификация.
-
Используя методы -разложения искомых функций в ряды по степеням поперечной координаты, а такие малого геометри-
. ческого параметра, предложены подходы к проведению инженерного расчета характеристик подачи штучных продуктов и их охлаждения на воздушной несущей прослойке.
_"' З^Для различных пространственных схем течения, форма опорной поверхности изделия и типов питающих элементов ПО-
лучены соотношения для расчета распределения избыточного давления в несушей прослойке, ее толщины и других парашт-ровТ^Получена условия,прні выполнении которых обеспечивается устойчивое полокение изделия на несущей прослойке.
4. Установлены теоретически и проверены экспериыенгаль-г
но закономерности влияния формы зазора несущей прослойки на
распределение избыточного "давления и величину осъемного рас
хода потребляемого воздуха, В частности показано, что при за-
. данном кратчайшем расстоянии между несущей поверхностью сис-- темы и опорной поверхностью изделия при прочих равных параметрах минимальное значение потребляемого расхода газа дос-. тигается в случав зазора постоянной толщины.
5. Получены соотноеэшя, затрагивание вопросы нориаль-
иэго.функционирования н прэзктироБокия пнавмоконвсйсроБ:
динамики изделий)
перераспределения расхода воздуха между питающими от -. верстилмиі
влияния параметров системы на толщин/ воздушной прослойки;
снижения коэффициента трения изделия о несучую поверхность.
-
Йоказана возможность построения приближенного решения зада»! конвективного теплопереноса в несущих прослойках для различных вариантов постанобки граничных условий.
-
Подучено критериальное уравнение, описывавшее процесс теплоотдачи на опорной поверхности изделия с учетом зависимости толщины несущей прослойки от расхода подаваемого воздуха.
-
В рамках рассмотренных приближенных подходов решен ряд задач гидродинамики и конвективного теплопереноса для пленочного течения лидноети по поверхностям различной пространственной форш применительно к процессу охлаждения» а также выпарным аппаратам.
-
Применительно к другим областям технических наук в рамках модельного представления о системах с гидродинамической несущей прослойкой получены решения некоторых задач о контактной сублимации (или плавлении) твердого тела на его опорной поверхности, а также пленочном режиме кипения жидкости на различных нагретых поверхностях.
10. Проведено обоснование возможности эффективного сов
мещения транспортных операций штучных изделий с их техноло
гической обработкой типа нагрева или охлеждения. Разработана
методика трекерного расчета параметров и расходных характе-
ристик пневматических конвейеров для подачи и одновременного охлаждения штучных пищевых изделий.
II. Разработаны пневматические конвейеры-накопители для подачи пачек сахара-рафинада и брикетов пищевых концентратов в автомат групповой упаковки типа А5-АУМ. Заложены основы реализации мероприятий по снижению трения в расфасовочно-упаковочном автомате типа А5-А2А.
Разработаны устройства для подачи и охлаждения намазанных вафельных пласто.в. Экономический эффект в расчете на одно охлаждающее устройства составляет 85,5 тыс.рублей. При этом такое устройство имеет длину участка охлаждения в 4,1 . раза меньше по сравнению с известным аппаратом БОВ при равной эффективности охлаждения.
Техническая новизна предложенных устройств защищена 24 авторскими свидетельствами.
