Введение к работе
Актуальность работы. Во многих отраслях пищевой индустрии процессы, протекающие при непосредственном контакте газа с жидкостью, во многом определяют энергетические затраты и качество готового продукта. Примером тому могут служить насыщение безалкогольных напитков, пива, шипучих вин диоксидом углерода; аэрация культуральных сред в производстве дрожжей; гидрогенизация и окислительная полимеризация растительных масел при производстве саломасов и натуральных олиф и т.п. В перечисленных примерах необходимо обеспечить высокую скорость растворения в жидкостях диоксида углерода, водорода и кислорода и поддержание постоянства температурного режима.
Целью интенсификации абсорбционной аппаратуры является, как правило, увеличение скорости растворения газов в жидкостях, зависящей в основном от величины поверхности контакта фаз, которая, в свою очередь, определяется размерами дисперсной фазы). Но очень часто интенсификация процесса массообмена приводит к увеличению выделения теплоты в результате либо химической реакции, либо биологической.
В связи с указанными обстоятельствами вполне понятно стремление ученых и конструкторов к совершенствованию уже существующих абсорбционных аппаратов и созданию новых, обеспечивающих мелкодисперсную структуру газожидкостной смеси и совмещающих в себе как процессы абсорбции, так и тепловой обработки среды. Так как скорость переноса теплоты в газожидкостных потоках выше, чем в однофазных, то при одинаковой тепловой нагрузке требуемая поверхность теплообмена в первом случае будет меньше и, как следствие этого, снижаются габариты и металлоемкость технологических установок.
Одним из таких аппаратов является кожухотрубный струйно-инжекционный абсорбер — КСИА, представляющий собой вертикально расположенный кожухотрубный теплообменник в одно, двух или трехходовом исполнении (рис.1). Особенно привлекательным такой аппарат может оказаться для небольших производств (минипивзаводов). Например, в настоящее время многие минипивзаводы заинтересованы в получении своих чистых культур дрожжей, для чего им необходимо иметь компактные установки для тг| І і IN іттпттппптгпп П ітрі г случае приме-
4 нение КСИА является весьма перспективно, т.к. он надежен в работе, высокоинтенсивен и обеспечивает стерильность процесса.
На рис. 3 представлена конструкция струйно-инжекционного аппарата, работающего в изотермических условиях. Он может быть использован в тех случаях, когда не требуется тепловая обработка продукта. Например, для деаэрации воды методом вытеснения кислорода диоксидом углерода
До настоящего времени основное внимание уделялось исследованиям по уносу газа жидкими струями, определению таких важных гидродинамических показателей, как истинное объемное газосодержание, структура свободной жидкой струи; а так же нахождению осредненных по всему объему абсорбера массооб-менных характеристик. В значительно меньшей мере изучались закономерности переноса импульса и дробления пузырей в зоне образования газожидкостной смеси. Что касается исследований теплообмена в условиях турбулизации среды жидкими струями, то они вообще не проводились. Между тем, как показала практика, конструктивные расчеты аппарата на основе данных по массообмену пригодны только для случая изотермической абсорбции. При необходимости тепловой обработки продукта такие расчеты приводят к ошибкам при определении поверхности теплообмена и невозможности поддержания необходимых температурных режимов.
Особый интерес представляет исследование в тех трубах, где происходит образование газожидкостного потока в результате инжекции газа боковыми поверхностями свободных жидких струй, подающих через свободную поверхность жидкости, находящейся в нисходящих трубах. Так как на долю этих труб приходится от 30 до 100% (в зависимости от конструкции КСИА) всей теплообменной поверхности, то поиск закономерностей переноса теплоты в условиях интенсивной турбулизации среды жидкими струями и нахождение уравнений для расчета коэффициентов теплоотдачи приобретает не только чисто академический интерес, но и практическое значение. Без этих данных не может быть создана законченная методика расчета КСИА. Указанные обстоятельства говорят о необходимости проведения теоретических и экспериментальных исследований в указанной области.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является выяснение закономерностей переноса импульса и теплоты и дробления пузырей при движении газожидкостных потоков в вертикальных трубах в условиях интенсивной турбули-зации среды жидкими струями.
В соответствии с поставленной целью должны быть решены следующие задачи:
создать модель переноса импульса при движении газожидкостной смеси в вертикальных трубах в условиях перемешивания среды жидкими струями;
на основе общих положений турбулентного переноса импульса и теплоты создать математическую модель теплообмена между газожидкостной средой, тур-булизованной жидкими струями, и стенкой трубы;
на основе полуэмпирической теории турбулентного переноса получить уравнение для расчета коэффициента теплоотдачи в условиях интенсивного перемешивания среды жидкими струями;
провести экспериментальные исследования с целью подтверждения адекватности математической модели реальным условиям и определения неизвестных констант, корректирующих неточности полуэмпирических решений;
-на основе анализа имеющихся в литературе теоретических и экспериментальных данных получить уравнения для расчета диаметра пузырьков в аппаратах с различными способами диспергирования газа.
Научная новизна. Проведен теоретический анализ потерь энергии жидкой струи в зоне образования газожидкостной смеси в зависимости от гидродинамических параметров и на его основе решена задача по определению диссипации энергии в условиях перемешивания среды жидкими струями;
на основе полуэмпирической теории турбулентности и аналогии между переносом количества движения и теплоты решена задача по определению коэффициентов теплообмена между стенкой аппарата и газожидкостной смесью в условиях турбулизации ее жидкими струями;
правомерность основных теоретических решений подтверждена экспериментально и определен коэффициент пропорциональности в уравнении для расчета коэффициента теплоотдачи;
— установлены значения коэффициентов пропорциональности в уравнениях
для расчета диаметра пузырей в аппаратах различной конструкции.
Практическая значимость работы. Создана более полная и научно обоснованная методика теплового расчета КСИА:
- методика расчета была использована при создании установки для выращи
вания чистых культур пивных дрожжей и аппарата для деаэрации воды методом
вытеснения кислорода диоксидом углерода.
Установка для деаэрации воды методом вытеснения смонтирована и эксплуатируется на минипивзаводе ОАО "Айова" в г. С-Петербурге.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на НТК профессорско-преподавательского состава, научных работников, инженеров и аспирантов по итогам НИР СПбГАХПТ, г. С-Петербурге в 2003, 2004 г.п, II Международной НТК "Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке", г. С-Петербург, 2003 г., IV Международной НТК "Пища, экология, человек", г. Москва, 2003 г.
Публикации. По диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений.
Диссертация изложена на 90 страницах машинописного текста, включает 2 таблицы и 20 рисунков. Библиографический список использованной литературы состоит из 104 наименований работ, из которых 21 - зарубежных авторов.
