Обоснование параметров работы пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях Кравченко Владимир Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса. Цель и задачи исследовния 8

1.1 Анализ способов и технических средств для тепловой обработки молока на фермах 8

1.2 Анализ теплообменных систем с термоэлектрическим охлаждением 21

1.2.1 Конструкции термоэлектрических преобразователей и их применение в устройствах различного назначения 22

1.2.2 Методы интенсификации теплопередачи в теплообменных аппаратах с термоэлектрическими модулями 30

1.3 Перспективы применения термоэлектрических модулей в технологических аппаратах и процессах для охлаждения и нагрева молока... 36

2 Теоретические исследования режимов работы пастеризационно-охладительной установки на ТЭМ 39

2.1 Существующие методы расчета термоэлектрических устройств 39

2.2 Исследование процесса теплообмена в секциях пластин с термоэлектрическими модулями 46

2.3 Обоснование энергетической целесообразности применения термоэлектрических устройств в современных пастеризационно- охладительных установках 60

3 Программа и методика экспериментальных исследований 69

3.1 Программа, методика и объекты исследования 69

3.2 Лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований 69

3.3 Методика проведения эксперимента 71

3.4 Методика планирования экспериментальных исследований 77

4 Результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний 81

4.1 Результаты разработки технологической схемы лабораторной установки цля определения теплотехнических и гидравлических параметров блока нагрева и охлаждения 81

4.2 Результаты многофакторного планирования эксперимента термоэлектрической батареи пастеризационно - охладительной установки 86

4.3 Производственные испытания пастеризационно-охладительной установки на термомодулях 97

5 Технико-экономическая оценка эффективности результатов исследований 101

5.1 Оценка источников экономической эффективности 101

5.2 Расчет и оценка технико-экономических показателей эффективности внедрения ПОУТЭМ 106

Заключение 110

Список используемой литературы 113

Приложения 125

• Анализ способов и технических средств для тепловой обработки молока на фермах
• Существующие методы расчета термоэлектрических устройств
• Лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований
• Результаты разработки технологической схемы лабораторной установки цля определения теплотехнических и гидравлических параметров блока нагрева и охлаждения

Введение к работе

Современное состояние сельского хозяйства в целом и животноводства в частности требует коренной модернизации отрасли на основе внедрения прогрессивных форм хозяйствования, наукоемких технологий и высокоэффективной элементной базы, позволяющих существенно снизить издержки производства и повысить его рентабельность.

Министерством сельского хозяйства разработан приоритетный национальный проект «Развития АПК». В нем в качестве основных направлений развития агропромышленного комплекса определены ускоренное развитие животноводства и стимулирование развития малых форм хозяйствования. Актуальность выбранных направлений определяется вкладом животноводства в общий объем сельхозпроизводства. При этом анализ структуры животноводческой продукции показывает, что на долю личных подсобных и крестьянских (фермерских) хозяйств (ЛПХ и КФХ) в последние годы приходятся значительные объемы производства 51% мяса и 55% молока. А это ведет к необходимости создания компактных миницехов по первичной обработке продукции, в частности переработки молока, что существенно повышает рентабельность производства.

Наиболее важными технологическими процессами на фермах, влияющими на качество молока, а так же на энергоемкость его производства являются процессы тепловой обработки (охлаждение и пастеризация) на долю которых приходится более 40 % всех энергозатрат.

Наличие современных технологий и технических средств по первичной обработке и переработке молока у фермеров, резко повышает их конкурентоспособность. Поэтому создание компактных малогабаритных недорогих и высокоэффективных технологических установок является важной народно-хозяйственной проблемой, решаемой в рамках национального проекта «Развитие АПК» в разделе посвященному развитию малых форм хозяйствования в животноводстве.

Особое внимание на современном этапе развития техники и технологии уделяется развитию и внедрению наукоемких, инновационных проектов и технологических решений.

Одним из перспективных направлений при создании новых систем тепловой обработки молока является использование полупроводниковых термоэлектрических модулей (ТЭМ), обеспечивающих построение малогабаритных, высокоэффективных комплектов пастеризационно-охладительного оборудования, исключающих применение бойлерного паро-водогрейного и фреонового холодильного оборудования.

Теория энергетического применения термоэлектрических явлений, созданная в результате известных работ академика А.И. Иоффе и его сотрудников [56, 57], открыла широкие возможности для использования полупроводниковых термоэлектрических охлаждающих и нагреваемых устройств. За последние десятилетия эта отрасль получила значительное развитие, поскольку появилась реальная возможность создавать малогабаритные устройства для понижения и повышения температуры, обеспечивать процессы теплопередачи в конструкциях теплообменных аппаратов.

Целью настоящей работы является обоснование параметров и эффективности применения термоэлектрических устройств в пастеризационно - охладительных установках.

Научная новизна

разработаны математические модели расчета термоэлектрических блоков пастеризации и охлаждения молока на блочно-модульной основе.

разработана обобщенная структурно-технологическая схема новой пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях.

обоснованы энергетические циклы работы установки с расширенной зоной рекуперативных теплообменных процессов.

Практическая ценность. Обоснована целесообразность и эффективность применения высокотехнологических тепловых насосов (термоэлектрических

7 модулей) для одновременного охлаждения и нагревания молока в пастеризационно-охладительных установках.

Предложена новая конструкция теплообменник пластин со встроенными термоэлектрическими модулями. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение № 2002117059/13(018071).

На защиту выносятся:

функционально - технологическая схема пастеризациионно -охладительной установки на термоэлектрических модулях.

математические модели и методы расчёта основных параметров термоэлектрических блоков нагрева и охлаждения молока;

результаты экспериментальных исследований и производственных испытаний предлагаемой установки;

- оценка экономической эффективности данной установки.
Реализация результатов работы. По результатам исследований

выполнено два Госконтракта с МСХ РФ в 2001 и 2005 г.г. По теме «Проведение исследований и разработка макета пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях». Разработана конструкторская документация и опытные образцы термоэлектрических блоков охлаждения и нагрева молока.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены на заседаниях секций 5-й международной научно - практической конференции «Концепция механизации и автоматизации животноводства в 21 веке» (апрель 2002г.-2003, г. Подольск), международному симпозиуму по машинному доению г. Казань в 2002 г., на научно-практической конференции МГАУ 2002-2005 гг..

По результатам работы опубликовано 6 статей, в том числе имеется положительное решение на выдачу патента России.

8 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИИ!!

1.1 Анализ существующих способов и технических средств для тепловой обработки молока на фермах

Термин «пастеризация» связан с Луи Пастером - французским ученым, основоположником современной микробиологии и иммунологии.

Л. Пастер изучал проблему скисания вина, вызванную жизнедеятельностью микроорганизмов. Тепловая обработка вина, рекомендованная Л. Пастером, стала называться пастеризацией. Впоследствии этот термин был перенесен на тепловую обработку пищевых жидкостей, в том числе молока [93].

Основоположником современной теории создания аппаратов для тепловой обработки молока является русский ученый Г.А. Кук, который разработал теоретические основы пастеризации и теорию расчета аппаратов.

Установлено, что гибель патогенных микроорганизмов происходит при определенных комбинациях численных значений температуры и времени и, таким образом, достигается положительный результат в отношении пищевой безопасности молока.

Тем не менее, при этом могут проявляться нежелательные факты изменения компонентов молока, связанные со снижением его пищевой ценности и потребительских свойств.

С начала создания первого пастеризатора в 1827 г. до настоящего времени основными направлениями научных исследований и конструкторских работ в области пастеризации молока являются:

разработка режимов пастеризации и способов воздействия на молоко тепловой, электрической, лучистой и другими видами энергии с целью обеззараживания и сохранения его качеств;

создание конструкций пастеризаторов, обеспечивающих четкое и эффективное исполнение процесса пастеризации, удобных и надежных в эксплуатации.

9 Современные пастеризаторы, как правило, являются комбинированными аппаратами, конструктивно совмещающими подогреватель, секцию пастеризации, выдер-живатель и охладитель. Они обеспечивают выполнение 2-х и более технологических операций обработки молока таких, как очистка, пастеризация, охлаждение, сепарирование, нормализация и др.

По источнику использования энергии на нагрев и обеззараживание молока современные пастеризаторы можно подразделить на паровые и электрические: с индукционным нагревом, с омическим нагревом, с инфракрасным нагревателем, высокочастотные вибраторы (ультразвуковые), а так же фрикционные с механическим нагревом и ультрафиолетовым воздействием [84].

Схема изменения температуры молока в таком аппарате представлена на рисунке 1.1. Заштрихованная область соответствует области пастеризации, т.е. все части аппарата, для которых t > 60 являются пастеризующими. Остальные части аппарата для определения критерия Ра не имеют значения.

ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ВЫДЕРЖИВАТЕЛЬ РЕКУПЕРАТОР

Рисунок 1.1 - Изменение температуры молока в пастеризаторе

т_р - температура подогрева в рекуператоре;

Тбо - температура начала проявления пастеризационного эффекта;

т„ - температура пастеризации

Практически время, необходимое для достижения пастеризационного эффекта, выше теоретического ввиду ряда обстоятельств, в частотности из-за неравномерности полей скоростей и температур по сечению потока, из-за пастеризации молока низкого качества или не подготовленного соответствующим образом, зависит от обслуживания животных [15].

Пастеризуемое молоко должно быть очищено от посторонних примесей. В молоке не должно быть воздушных пузырьков. Желательна минимальная бактериальная обсемененность пастеризуемого молока.

При любой тепловой обработке, в том числе при пастеризации, происходит изменение физико-химических свойств молока.

Изменение свойств молока при пастеризации зависит от температурно-временных режимов и типа аппарата [44,93,94,127].

При длительной пастеризации (температура 63С, выдержка 30 мин.) выделяется до 5% от общего количества альбумина, наблюдается небольшое ухудшение отстаивания жира, удаляется углекислый газ, что вызывает уменьшение кислотности молока на (0,5-1 )Т.

При температуре 75С начинается денатурация альбумина, который не осаждается, а переходит в форму свертывающегося от воздействия кислот, сернокислого магния.

Продолжительное нагревание при 75С или увеличение температуры усиливает денатурацию альбумина, но его свертывание наступает только при под-кислении молока.

При нагревании молока до 85С в течение 1 мин большая часть альбумина денатурируется, а при 95С денатурируется весь альбумин.

При нагревании до температуры выше 85С, кроме альбумина, частично изменяется казеин.

При пастеризации фосфорнокислые и лимоннокислые известковые соли переходят в нерастворимые. Выпадение белков и нерастворимых фосфорнокис-

лых солей при нагревании молока ведет к отложению на нагревательных поверхностях пастеризаторов плотного осадка («молочного камня»).

Отечественная промышленность изготовляет различные конструкции тепловых аппаратов, которые резко отличаются друг от друга не только источниками использования энергии для нагревания молока, но и энергетическими, эксплуатационными, технологическими и другими показателями (рис. 1.2).

ІІасісріиациоішо-ох:іалиіе.їьіи.іе установки

IllH'lUwii) ll'lUOlHU! ОораґчіІМІ

I!. і 11 v 11 ' IH11К \

ikihiH.nm.iiiiiiifi «періmi

Іі-рмичсскис

Xii.lii.liii.ii'

Лішараш

ікчірсринишо

.'idiaium

—^*._

Лшкіраіи иі'рио.ііічамчії

ДСІІС1ИІІЯ

* У.и.ірафии.и.чнін.іс iKHS'iaiLMii

ii'l'pakpntiioii

І'.ІІИЛЦШІ

Рисунок 1.2 - Классификация применяемых пастеризационно-охладительных установок

Наибольшее распространение для пастеризации молока, получили пластинчатые пастеризационно-охладительные установки с электронагревом, которые па сравнению с другими типами тепловых обменных аппаратов имеют ряд преимуществ:

малый объем аппарата;

минимальные тешюперетоки и потери тепла и холода;

существенная экономия (80-90 %) тепла в секциях регенерации;

12 удельный расход энергии в пластинчатых аппаратах в 2-3 раза ниже, чем в трубчатых;

возможность менять число пластин; возможность безразборной циркуляционной мойки аппаратуры.

f » щ*.т. — »—-... «— ,-..^.,.. . ^.^.w ..«.

МОЛОКО

горячая вода холодная вода

ледяная вода

Рисунок 1.3, а - Принципиальная схема пластинчатой пастеризационно-охладительной установки: 1 - уравнительный бак; 2 - насос для молока; 3 - рота-метрический регулятор; 4 - пластинчатый теплообменный аппарат; 5 - сепа-ратор-молокоочиститель; б - пароконтактныи нагреватель воды; 7 - бачок-аккумулятор; 8 - насос горячей воды; 9 - выдерживатель; I - первая секция рекуперации; II - вторая секция рекуперации; III - секция пастеризации; IV - секция охлаждения холодной воды; V-секция охлаждения ледяной водой

Горячая вода для нагрева молока подается в секцию пастеризации водяным центробежным насосом 16 из бачка-аккумулятора 17. Охлажденная вода из сек-

13 ции пастеризации возвращается в бачок, предварительно нагреваясь в парокан-тактом нагревателе 21, установленном на трубопроводе возврата воды.

Вместо пароконтактного нагревателя также используются электрические нагреватели воды.

На рисунке 1.3, б представлена базовая технологическая схема пластинча
той пастеризационно-охладительной установки, разработанной НПК «Прогрес
сивные технологии».

Вход ледяной аоды

Выход ледяной воды іхоа технической 80ды

Выход техмичесхой воды

Циркуляция

Выход смеси

Вход моющего растмрз

! і

Выход ноющего раствора

Рисунок 1.3, б - Базовая технологическая схема пластинчатой пастеризационно-охладительной установки НПК «Прогрессивные технологии»: 1 - пластинчатый теплообменный аппарат; 2 - возвратный клапан; 3 - бак-балансер; 4 - насос продуктовый; 5 - гомогенизатор; б - пластинчатый теплообменник для нагрева воды; 7 - выдерживатель; 8 - насос для подачи воды в теплообменник

Также НПК «Прогрессивные технологии» разработаны и изготавливаются пластинчатые пастеризационно-охладительные установки ОКЛ.

В таблице 1.1. приводятся технические характеристики установок различной производительности.

14 Наиболее высокими технологическими показателями среди отечественных теплообменных аппаратов обладают модульные автоматизированные пастериза-ционно-охладительные установки Поток Терм 500/1000/3000, выпускаемые АО «Альфа Лаваль Поток» (бывший Болшевский машиностроительный завод, г. Королев Московской области).

Таблица 1.1 - Базовая номенклатура и технические характеристики

Эти установки имеют высокий коэффициент рекуперации тепла (0,9), систему подготовки горячей воды с электронагревом и четырех секционный пластинчатый теплообменник (две секции регенерации, секция пастеризации и секция охлаждения). В теплообменнике резиновые прокладки выполнены из патентованного материала и соединены с пластинами специальными зажимами (клипса-

15 ми), т.е. без помощи клея. Техническая характеристика установок данного типа приведена в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Техническая характеристика пастеризационно-охладительных
установок

Это же АО выпускает модульные полуавтоматические пастеризационно-охладительные установки Поток Терм 3000/5000/10000, в которых нагрев продукта до температуры пастеризации осуществляется паром с давлением 300 кПа. Расход пара в этих установках составляет соответственно 60,100 и 173 кг/ч.

Кроме пластинчатых установок в промышленности достаточно широко используются трубчатые пастеризационные установки. Их основное преимущество

- отсутствие прокладок между теплообменными элементами, что упрощает эксплуатацию установок. К недостаткам можно отнести меньшую, по сравнению с пластинчатыми аппаратами, компактность, что приводит к более высокой металлоемкости при одной и той же производительности. Пастеризационные трубчатые установки, как правило, используются в технологических схемах производства продуктов, требующих повышенных температурных режимов пастеризации (85-95С), например, топленое молоко. Заводом «Молмаш» выпускаются трубчатые пастеризаторы марок П8-04П-5,0/2,5; Т1-0УТ-М с двумя последовательно соединенными цилиндрами и П8-ОПФ/3 с тремя цилиндрами. Этим же заводом разработана трубчатая пастеризационно-охладительная установка П8-ОПО-5.

В описанных выше аппаратах реализуется косвенный нагрев продукта теплоносителем через теплопередающую поверхность. В качестве теплоносителя используется водяной насыщенный пар, или горячая вода, предварительно нагретая водяным паром.

Помимо аппаратов косвенного нагрева в последнее время все более широкое применение находят аппараты прямого нагрева (пароконтактные), в которых пар вводится в поток молока (инжекционного типа) или молоко вводится в атмосферу , насыщенного пара (инфузионного типа).

Данный тип аппаратов, в основном, используется для стерилизации молока при высоких температурных режимах (135-145С с выдержкой 1-3 с), так называемая УВТ-обработка (ультравысокотемпературная), однако, при определенных , условиях пароконтактные аппараты могут применяться для пастеризации молока.

Наряду с косвенным нагревом продукта (теплота от теплоносителя к продукту передается через разделяющую стенку), при котором в качестве теплоносителя применяются горячая вода или водяной насыщенный пар, известны пастеризаторы, использующие в качестве источника прямого нагрева инфракрасные излучатели.

На рисунке 1.4. показана схема пастеризационной установки УОМ-ИК-1.

17 Сырое молоко из уравнительного бака 1 центробежным насосом 2 подается в секцию рекуперации I пластинчатого теплообменника 3 и далее в инфракрасный нагреватель 5.

Инфракрасный нагреватель состоит из трубок кварцевого стекла V-образной формы с отражателями из анодированного алюминия. Количество трубок -16 (10_т основных, 4_П регулирующих режим нагрева и 2 дополнительных). На трубки навита нихромовая спираль, и они включены в сеть параллельно.

Рисунок 1.4 - Схема пастеризационной установки с инфракрасным нагревателем: 1 -уравнительный бак; 2 - насос для молока; 3 - пластинчатый теплообменный аппарат; 4 - выдерживатель; 5 - инфракрасный нагреватель; 6 - возвратный клапан; I - секция рекуперации; II - секция охлаждения холодной водой; III - секция охлаждения холодной водой

После нагрева до температуры пастеризации, молоко поступает в трубчатый выдерживатель и затем, пройдя последовательно секции рекуперации, охла-

18 ждения холодной и ледяной водой, пастеризованное молоко направляется на дальнейшие операции.

Возврат недопастеризованного молока осуществляется при помощи возвратного клапана 6.

Наряду с пастеризаторами, в которых источником прямого нагрева молока является инфракрасное излучение, разработаны и получают все большее распространение установки для пастеризации молока, работа которых основана на использовании ультрафиолетового излучения.

Одним из перспективных направлений совершенствования пастеризационных установок является применение в них роторных нагревателей, специальная конструкция которых позволяет за счет молекулярного трения частиц обрабатываемого продукта нагревать последний до заданной температуры. Температура тепловой обработки продукта зависит от времени его нахождения в роторном нагревателе и может регулироваться в широких пределах. Одновременно с этим продукт подвергается частичной гомогенизации.

Боровичский опытный специализированный завод (Новгородская область) выпускает высокотемпературный пастеризатор молока с роторным нагревателем ПМР-0,2 Вт производительность 500,1000 и 1800 л/ч.

Аппарат предназначен для пастеризации, выдержки, фильтрования и охлаждения молока в закрытом потоке или из накопительных емкостей. Он может использоваться совместно с доильной установкой или работать автономно. При необходимости пастеризатор может быть настроен на режим, при котором молоко нагревается до более высокой температуры, т.е. стерилизуется.

Удельные затраты электроэнергии в сравнении с электрическими и паровыми пастеризаторами в данном аппарате снижены в 2,5...3 раза, а площадь, за-нимаемая им, не превышает 1,5 м². На рисунке 1.5 приведена принципиальная схема пастеризатора ПМР-0,2 Вт.

Молоко поступает в приемный бак 4 и молочным насосом 6 подается через фильтр 7 в пластинчатый теплообменник 8. В секции рекуперации теплообменника молоко подогревается молоком, поступающим из выдерживателя 9, и пода-

19 ется в роторный нагреватель 1. Температура обработки молока в нагревателе измеряется термометром сопротивления 2 и отображается с помощью цифрового

индикатора

Рисунок 1.5 - Схема установки ПМР-0,2-1

1 - роторный нагреватель; 2 - термометр сопротивления; 3 - автоматический клапан; 4 - приемный бак; 5 - кран проходной; 6 - молочный насос; 7 -фильтр; 8 - пластинчатый теплообменник; 9 - выдерживатель; 10 - пульт управления; 11- вход молока; 12 - выход молока

В случае нарушения заданного режима пастеризации, молоко с помощью автоматического клапана возврата 3 направляется на повторную обработку.

Нагретое до нужной температуры молоко подается в выдерживатель 9, а затем последовательна перемещается через секции рекуперации и охлаждения пластинчатого теплообменника 8.

Пастеризатор оснащен электронным управлением, что позволяет осуществить непрерывный контроль за его рабочими параметрами.

Кроме описанных способов пастеризации известны и другие, в частности, вакуум-пастеризация (вакреация), центрифугирование (бактофугирование), электропастеризация.

20 Другим направлением тепловых процессов при обработке является охлаждение пастеризованного молока (рис. 1.6), которое наиболее эффективно решено в технологических схемах пластинчатых пастеризационно-охладительных установок.

Теплообменный аппарат имеет рекуперативные секции, а так же секции предварительного и глубокого охлаждения молока с начало водопроводной, а затем ледяной водой до конечной температуры. Это позволяет за один цикл нагреть (пастеризовать) и охладить молоко до конечной температуры 4 С, что необходимо при получении молока высокого качества. Вместе с тем следует отметить, что существующие пастеризационно-охладительные установки только позволяют охлаждать молоко на конечных стадиях в соответствующих секциях, а источник холода находиться за пределами установки (холодильная машина).

Рисунок 1.6 - Классификация оборудования для охлаждения молока

Поэтому при энергетическом анализе пастеризационно-охладительной установок необходимо учитывать совокупные затраты тепла и холода для выполнения общих технологических процессов [40, 125]. В этом смысле рассмотрение выше установки, не имеющие встроенных холодильных машин, осуществляют регенерацию тепла только на стадии пастеризации. Источник холода, как правило, холодильная машина фреонового типа или бесфреоновые системы (вакуумно-испарительные, термоэлектрические или естественного холода).

21 Таким образом, аналитический обзор аппаратов для пастеризации и охлаждения молока показывает разнообразие их типов и марок и, вместе с тем, смещение приоритета использования в сторону пластинчатых и трубчатых теплообменников. Значительный интерес проявляется к новым экологически и экономически выгодным установкам.

1.2 Анализ теплообменных систем с термоэлектрическим охлаждением

Малогабаритность, бесшумность, нетоксичность (далеко не полный) перечень ііреимуществ термоэлектрических преобразователей стимулировал в течение последних десятилетий инженерные разработки в различных направлениях [63, 74]. Анализ патентной документации СССР и России выявил около 700 документов, касающихся только применения термоэлектриков к задачам охлаждения. На рисунке 1.7. приведено распределение реализаций термоэлектрического охлаждения по некоторым областям техники, шт

100 - _шттшшл

50 - ^mmmm_immmim^^^^^^^^

I і і і I I і

Холодильники Гидрометры Кондиционеры Осушители

Термостаты Льдогенерат. Регул. Темп. Измерители

Рисунок 1.7 - Термоэлектрические системы в патентной документации СССР и России Столь широкий спектр эффективных приложений термоэлектрического охлаждения был бы невозможен без фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований, ведущая роль в которых принадлежит отечественным

22 ученым. Начиная с первых монографий [16, 25, 28] фундаментальные и прикладные исследования посвящены анализу режимов работы термоэлектрических батарей (ТЭБ) [25, 32, 37], особенностям конкретных применений [6, 35], нестационарным режимам [33], теоретическому моделированию в безразмерных параметрах [9]. Следует отметить, что обширный материал по теории, расчету и приложениям термоэлектрических устройств побудил многих авторов к созданию обобщающих трудов [26,28].

Таким образом, к настоящему времени термоэлектрические устройства представляют собой обширную предметную область знаний.

1.2.1 Конструкции термоэлектрических преобразователей и их применение в устройствах различного назначения

В настоящее время разработка различных термоэлектрических устройств ведется на основе освоенных и выпускаемых промышленно стандартных термоэлектрических модулей (ТЭМ) (рис. 1.8, 1.9). Имеется значительное число публикаций [11,29, 31,63,74], в которых содержатся сведения о параметрах таких ТЭМ.

Холодная сторона

Рисунок 1.8 - Структура термоэлектрических модулей (ТЭМ)

Рисунок 1.9 - Внешний вид типовых ТЭМ

Данные, приведенные в работах [11, 29], характеризуют ранние тенденции в развитии термоэлектричества - упор на создание относительно мощных охлаждающих ТЭМ для массового потребителя. Холодопроизводительность этих ТЭМ относительно велика и колеблется в пределах 12...40 Вт, ТЭМ сильноточные, размеры спаев 4x4 ... 9x9 мм , высота ТЭ 3...5 мм. Главными причинами, определяющими столь значительные размеры термоэлементов и высокие значения токов питания, являлись технологические трудности, с которыми сталкивались разработчики при создании термоэлементов относительно малых размеров. Широкое применение в зарубежной практике получили ТЭМ,^: называемые фригисто-рами [37]. Ведущие зарубежные фирмы освоили и наладили серийное производство ТЭМ, которые оформлены как законченные конструктивные элементы, помещенные в защитные оправки и снабженные собственными токовыми выводами.

В работе [75] описана технология сборки ТЭМ, производимых в США. Отличительной чертой применяемой технологии является то, что используемые ветви одного типа проводимости располагаются в одном ряду, а их последовательное со-

24 единение осуществляется с помощью медных коммутационных пластин, ориентированных относительно ветвей термоэлемента (ТЭ).

Французские фирмы осуществляют сборку ТЭМ из отдельных ветвей ТЭ с припаиванием к их торцам металлических пластин и последующей фрезеровкой или пропиловкой по схеме, обеспечивающей последовательное соединение вет-, вей [83].

Для ТЭБ, изготавливаемых у нас в стране, разрабатывается индивидуальная технология применительно к каждому прибору. В большинстве случаев отдельные ветви ТЭ соединяются друг с другом коммутационными пластинами с пек. мощью ручного электропаяльника. Этот способ сборки сложен, трудоемок, требует высокой квалификации и может быть оправдан при изготовлении единичных экземпляров уникальных приборов.

В ГСКБ ТФП разработана технология по созданию ряда серийных унифицированных ТЭМ типа «Селен» [63]. Параметры этих ТЭМ приведены в таблице 1.3. Таблица 1.3 - Характеристики термоэлектрических модулей типа «Селен»

Решение прикладных задач, связанных с применением термоэлектрического охлаждения в научных исследованиях, технике, биологии, медицине и в, других отраслях народного хозяйства, в настоящее время требует создания миниатюрных и сверхминиатюрных ТЭМ. Американской фирмой «NSJ» разработаны

25 и выпускаются миниатюрные ТЭМ, характеристики которых приведены в таблице 1.4. [78].

Таблица 1.4 - Характеристики микромодулей, выпускаемых фирмой «NSJ» (США)

С целью дальнейшего усовершенствования и повышения эффективности ТЭМ в России разработана новая технология его изготовления - конструкция на металлическом основании вместо керамического, как у других аналогов. Модули на металлическом основании характеризуются рядом преимуществ по сравнению с ТЭМ на керамике, значительно расширяют область применения холодильных устройств и улучшают их основные показатели, обеспечивая: увеличение объема холодильной камеры; повышение холодопроизводительности, благодаря лучшей теплопроводности оснований; уменьшение времени выхода на режим; дополнительное понижение температуры в «каскадной» схеме компоновки ТЭМ; повышение механической прочности; создание более широких конструктивных возможностей, позволяющих изготавливать ТЭМ различных конфигураций. В сочленении радиатора и ТЭМ на керамике имеются недостатки: малая теплопроводность керамики, её хрупкость. Технология ТЭМ на металлическом основании позволяет горячую сторону ТЭМ конструктивно выполнить в виде ребристого радиатора. Такая конструкция повышает эффективность и надежность применения термоэлектрического, охлаждения. Характеристики модулей на металлическом основании приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 -Характеристики модулей на металлизированном основании

Основные данные о некоторых других стандартных типах ТЭМ выпускаемых отдельными организациями у нас в стране (инженерно-производственная фирма «Криотерм», ООО «ТЭМАТ», научно - производственное предприятие «Терми-он» и др.), приведены в приложении 9 (таблицы 1.6...1.9), [28, 87, 98, 99, 100, 102, 103].

Анализируя развитие отечественной и зарубежной техники, можно убедиться, что область применения термоэлектрических охладителей резко расширяется, причем определилась огромная потребность в микроохладителях с широким диапазоном технических характеристик. Основные потребители термоэлектрического охлаждения - объекты, снабженные датчиками и преобразователями инфракрасного излучения, которые применяют в теплометрии, а также в военных целях для ночного видения, обнаружения живой силы и техники и т.п. [85].

Другим обширным классом потребителей термоэлектрического холода в последние годы становятся объекты полупроводниковой когерентной техники, в особенности инжекционные лазеры. В последние годы в России, США и Японии появилось значительное число публикаций, посвященных этой проблеме. Известны попытки использования эффекта Пельтье непосредственно в самой ла-

27 зерной структуре и создания на этой основе охлаждаемых лазеров с применением интегральных технологий.

Применение радиоизотопных термоэлектрических источников энергии не имеет альтернатив в программах освоения дальнего космоса, где плотность солнечной энергии недостаточна для использования фотоэлектрических батарей.

На новом витке развития технологии наполнилась экономическим содержанием первоначальная идея использования термоэлектричества в портативных домашних холодильниках, холодильниках для медицины, биологии, сельского хозяйства и транспорта. Термоэлектрические охладители успешно используются в лечебной профилактике в офтальмологии, сердечной диагностике, в охлаждаемых приборах для гистологических исследований, в холодильниках для длительного хранения живых тканей (при проведении пластических операций и др.).

Примерами практического применения термоэлектрического охлаждения являлись бытовые холодильники, но из-за высокой стоимости и малой экономичности сейчас они не имеют широкого распространения. Из термоэлектрических охлаждающих приборов бытового и торгового назначения можно вьщелить многочисленные конструкции ледогенераторов, используемых для оттаивания льда кратковременным включением тока обратной полярности [52].

Разнообразно применение термоэлектрических охладителей на транспорте [77]. Особое место среди транспортных термоэлектрических устройств занимают , локальные воздухоохладители и кондиционеры, обеспечивающие нормальное самочувствие и высокую производительность труда. На рисунке 1.10 представлена схема термоэлектрического агрегата для автомобильных холодильников ёмкостью до 50 л., рассчитанного на питание от сети 12 В постоянного тока. Агрегат состоит из термоэлектрических батарей подключённых к источнику электропитания. Каждая батарея состоит из двух последовательно включённых модулей и последовательно ориентированных вдоль потоков вентилирующего воздуха.

7 * 28

Рисунок 1.10 - Схема термоэлектрического агрегата для автомобильных холодильников: 1 - термоэлектрический модуль; 2 - горячий теплообменник; 3 -холодный теплообменник; 4 - электродвигатель ДП-25 вентилятора; 5 -плавниковое ребро; 6 - герметизирующая алюминиевая перегородка; 7 - сварное или паяное соединение; 8 - камера; 9 - теплоизоляция

Каждый модуль термобатареи содержит 99 термоэлементов (термопар), последовательно коммутированных медными тонкими (0,5 мм) пластинами. Набор ветвей термоэлемента осуществляется в последовательности р - тип дырочной проводимости, затем п - тип электронной проводимости. Батареи размещены поперёк потоков воздуха и их число соответственно равно 1, 2, 3, 4, 5 в агрегатах для холодильников ёмкостью 4, 12, 26, 40, 50 л. Термоэлектрический агрегат содержит вентиляционный узел, который может иметь либо один вентилятор с двухвальным

двигателем ДП 25 или ДП 32, либо два вентилятора с двигателем ДП 25.

Использование двух вентиляторов имеет преимущества: возможность организации противоточного движения воздушных потоков, обеспечивающего повышения эффективности охлаждения; повышение надёжности и облегчение ремонта, связанного с необходимостью замены двигателя, наработка которого недостаточно высока (2000 ч) по сравнению с долговечностью термобатарей.

Расширяется применение термоэлектрических бытовых устройств, таких как охладители напитков, бары со встроенными холодильниками, передвижные продуктовые и сервировочные столики, домашние аптечки [2].

29 В последние годы заметно снизилась стоимость термоэлектрической продукции. Этому способствовали стандартизация охлаждающих модулей, унификация их размеров и электрических параметров. Освоен массовый выпуск модулей размером 30x30 и 40x40 мм, а также стандартизованных термоэлектрических сборок общего назначения (см табл. 1.3.).

Для охлаждения с.-х. продукции применяются термоэлектрические установки, работающие на основе эффекта Пельтье - выделение или поглощение тепла на контакте двух разнородных проводников в зависимости от направления электрического тока, текущего через контакт. На рисунке 1.11 представлена схема термоэлектрического агрегата для охлаждения термошкафа. Включение вентилятора в тепловую схему мармита позволяет системе регулирования быстро реагировать на тепловые возмущения, быстро выходить на заданный режим и точно его выдерживать.

Рисунок 1.11- Схема термоэлектрического агрегата для охлаждения термошкафа: 1 - наружный воздух; 2 - воздух в середине камеры; 3 - основание горячего радиатора; 4 - основание холодного радиатора; 5 -холодный воздух на выходе из агрегата; 6 - холодный воздух на входе в агрегат; 7 - воздух на входе в горячий радиатор; 8 - воздух на выходе из радиатора

Ввиду того, что холодильник среднетемпературный, конструкция для теплообменника охлаждения воздуха должна исключать выпадение инея: отсюда вытекает требование обеспечить небольшой перепад (1 -2С) температур охлаждаемого потока воздуха и конвективной охлаждающей поверхности. Теплосъем с горячих спаев термоэлектрического агрегата осуществляется путем вентиляции. Таким образом, потребителями электроэнергии в конструкции термошкафа являются термоэлектрические батареи и электродвигатели "холодного" и "горячего" вентиляторов. Рабочее колесо вентиляторов - осевого типа, которые обеспечивают более высокую производительность при небольшом напоре.

Число вентиляторов на холодных и горячих теплообменниках будет определено в зависимости от количества унифицированных блоков. Каждый блок содержит по одному вентилятору на каждый теплообменник.

Число термоэлектрических батарей (модулей) для каждого типоразмера холодильников должно быть кратно двум. Это дает возможность ступенчатого регулирования температуры путем последовательного включения групп модулей при необходимости работы в экономичном режиме, например, при необходимости снижения энергопотребления при уменьшении температуры окружающего воздуха. Расчетный холодильный коэффициент в этом случае не превышает 0,45.

Таким образом, термоэлектрическое охлаждение превратилось в одно из важнейших направлений холодильной техники. По оценкам экспертов, рынок термоэлектрической продукции в настоящее время приближаются к 100 млн. долл. в год при выпуске несколько миллионов охладителей в год.

Отсюда следует, что использование охлаждающих термоэлектрических устройств признано перспективным и необходимым.

1.2.2 Методы интенсификации теплопередачи в теплообменных аппаратах с

термоэлектрическими модулями

В связи с тем, что большинство процессов в народном хозяйстве связано с отводом и подводом теплоты, работы по интенсификации процесса теплообмена и

31 созданию наиболее экономичного технологического теплообменного оборудования, привели в последнее время к существенному усовершенствованию конструкций теплообменных аппаратов [1, 3, 5, 20, 24, 29, 51, 57, 58, 60, 70, 71, 72, 76] Одним из главных путей повышения эффективности процесса передачи теплоты является его интенсификация. Интенсивность процесса теплообмена в аппарате определяется отношением количества передаваемой теплоты в единицу времени к температурному напору и площади поверхности теплообмена.

Главным показателем интенсификации процесса теплообмена в аппарате является эффективность этого процесса, то есть, процесс должен быть экономически выгоден. Только совместный анализ интенсивности теплообмена и расходуемой мощности дает основание для оценки полученных результатов [21].

а) . . 6) в)

Рисунок 1.12 - Схемы регенеративного термоэлектрического охлаждения

Взаимное направление потоков по холодной и горячей стороне существенно влияет на конструкцию. Прямоток наименее экономичен, но его удобно применять, когда один поток газа или жидкости подается одновременно на холодные и горячие спаи и изменение температур потоков в батарее невелико. Поперечный ток эко-

32 номичнее прямотока. Применение его особенно удобно, если изменение температуры

одного из потоков мало, а другого велико.

ского питания

Вид снизу Вид сверху

Рисунок 1.13, а - Охладитель жидкости в потоке с длиной ветвей термоэлементов 1 мм. Охлаждает 20 л/ч воды от 23 С на 10, потребляя 90 вт, или на 20 С, потребляя 650 вт

Для охлаждения небольшого количества питьевой воды в поездах, на речных и морских судах, в учреждениях могут быть использованы термоэлектрические водоохладители. Вода охлаждается при протекании через термобатарею (рис. 1.13 а) или в сосуде для ее хранения. Охлаждающие термобатареи могут крепиться стационарно к стенкам сосуда [59, 136] или быть отсоединяемыми. Такие отсоединяемые батареи могут либо полностью погружаться [59], либо находиться в пробке и погружаться в жидкость только охлаждающими ребрами [106]. В этом случае в качестве сосуда для хранения охлажденной воды удобно использовать термосы с вакуумной изоляцией. Водоохладители могут быть использованы и для охлаждения других пищевых жидкостей. При охлаждении молока необходима конструкция батареи, позволяющая легко промывать поверхности, имеющие контакт с молоком. Для охлаждения больших количеств молока удобно, чтобы она стекало тонкой пленкой по охлаждаемым сторонам вертикально расположенной термобатареи [85]. Такая конструкция обеспечивает хороший теплообмен с моло-

33 ком и легкий доступ к поверхностям, требующим промывки после пользования. Особенно важно сохранение высокого качества молока или молочных продуктов при искусственном вскармливании грудных детей. При этом охлаждать нужно небольшие количества продуктов, но желательно быстрое охлаждение при хранении и быстрый подогрев перед кормлением. Для таких условий применение термоэлектричества очень удобно. На (рис. 1.13, б) показан охладитель такого назначения. Бутылочка с молоком ставится в сосуд, охлаждаемый 50 термоэлементами, расположенными вокруг него. Тепловыделение горячих спаев термоэлементов отводится естественной конвекцией воздуха с помощью ребер, радиально расположенных вокруг объема. Молоко охлаждается с 30 С до 7 С за 30 мин, и до 4 С - за один час. Хранение молока производится при 14,5 С. Устройство снабжено терморегулятором. За 20 мин до начала кормления ребенка реле, установленное на нужное время, переключает термобатарею на нагрев. Молоко нагревается от 4 до 40 С, после чего раздается звонок, сигнализирующий о готовности продукта для кормления [134].

К настоящему времени разработаны различные способы и средства воздействия на процесс теплопередачи. Интенсификация теплопередачи может достигаться различными способами и их сочетаниями [4, 51, 57, 60]:

воздействием на поток рабочей среды формой поверхности теплообмена [7,12,36];

воздействием на поток турбулизирующими вставками в канале [10, 14, 25, 30, 58];

механическим воздействием на поверхность теплообмена: ее вращением вибрацией, пульсацией давления в потоке, перемешиванием жидкости, вдувом или отсосом рабочей среды через пористую поверхность [12, 51, 56];

воздействием на поток электрическим, акустическим и магнитными полями [6,25, 57,67];

добавлением в поток химических реагентов, твердых частиц или газовых пузырьков [53, 58, 71];

34 - применением интенсификации теплопередачи на основе термоэлектрических поверхностей [5,32,34, 42, 54, 56, 64, 67, 68, 84, 122].

Некоторые изложенные выше способы и средства интенсификации теплопередачи в настоящее время широко применяются в промышленных теплообмен-ных аппаратах. Но для окончательного решения вопроса о целесообразности использования того или иного способа требуется техническая и экономическая оценка его эффективности с учетом условий эксплуатации и сопоставления с известными базовыми вариантами.

Охарактеризуем вкратце различные способы интенсификации теплопередачи классическими средствами.

Интенсификация конвективного теплообмена в однофазной среде с вибрацией поверхности - этот способ исследован, в основном, в лабораторных условиях, преимущественно для интенсификации теплоотдачи при свободной конвек-, ции. Способ требует значительных затрат энергии на создание колебаний поверхности теплообмена. Недостатком данного способа является также то, что интенсивная вибрация может привести к разрушению теплообменного аппарата. Широкого применения данный способ еще не имеет.

Вибрация жидкости - этот способ основан на создании вибрации жидкости вблизи обогреваемой поверхности. Из-за трудностей с созданием аппаратов для передачи энергии большим объемам жидкостей или ее поверхностного слоя, исследование этого способа до сих пор не нашло большого развития.

Способ вдува или отсоса газа в жидкость через пористую обогреваемую поверхность отличается сложностью использования его в промышленности.

Воздействие на поток турбулизирующими вставками - этот способ сходен со способом воздействия на поток рабочей среды гофрированной формой поверхности теплообмена. Известны дисковые вставки, закручивающие поток по всей длине теплообменника. Применение вставок требует больших энергозатрат и вызывает затруднения в очистке каналов от отложений.

Механическое воздействие на поток путем перемешивания жидкости или вращения поверхности теплообмена - этот способ широко используется в конструк-

35 циях промышленных кристаллизаторов с вращающимися барабанами, дисками, вальцами.

Широко используется в промышленности и энергетике способ, основанный на увеличении площади поверхности теплообмена путем ее оребрения.

Воздействие на теплоотдачу путем добавок в жидкость твердых частиц или газовых пузырьков, - в этом способе за счет уменьшения толщины пограничного слоя под воздействием твердых частиц или пузырьков наблюдается существенное увеличение теплоотдачи. Но большие объемы жидкости, требуемые для этого способа, и необходимость очистки поверхностей теплообмена от отложений ограничивают его применение.

Комбинированные способы интенсификации теплопередачи в ряде случаев дают большой эффект, нежели применение каждого способа в отдельности. Однако, и здесь нужны глубокие исследования, требующие немалых материальных затрат.

Интенсификация теплоотдачи кипением при вынужденном движении и конденсации пара в каналах в условиях вынужденного движения, акустические колебания, приложение электростатического поля, применение поверхностно-активных веществ и т.д. также находят широкое применение с практической точки зрения. Однако, эти методы эффективны в очень узких пределах своего применения. Наибольшее применение получили два основных способа интенсификации теплопередачи - увеличение поверхности теплообмена и повышение коэффициента теплоотдачи. Следует отметить, что указанные параметры не могут увеличиваться до бесконечности, а имеют определенные предельные значения. Таким образом, применение ТЭИТ позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи за счет изменения температурного напора между объектом, спаями термоэлектрической батареи и средой, что позволяет создавать более экономичное теплооб-менное оборудование.

36 13 Перспектива применения термоэлектрических модулей в технологических аппаратах и процессах для охлаэкдения и нагрева молока

Приведенный обзор публикаций, посвященный термоэлектрическим устройствам (ТЭУ), наглядно доказывает, что область их применения затрагивает не только традиционные сферы охлаждения или нагрева объектов и потоков теплоносителей соответственно ниже или выше температуры окружающей среды. При использовании ТЭБ для интенсификации процесса теплопередачи в теплообменных аппаратах, в частности, обеспечивается принудительная передача теплоты от объектов с высоким температурным потенциалом к объектам с низким температурным потенциалом, при возможности многократного снижения массы и габаритов теплообменных устройств. Конструктивные решения ТЭУ в данном случае отвечают схеме: объект ТЭБ - теплообменник.

На основе анализа литературных источников выявлено, что исследований термоэлектрических теплообменников (рекуператоров), применяемых для интенсификации процесса теплопередачи в теплообменных аппаратах потоков жидкостей на данный момент недостаточно: не проведена их конструктивная проработка, не осуществлен анализ эффективности, не изучены режимы работы. Все это обусловливает необходимость дальнейшего теоретического и экспериментального исследования термоэлектрических теплообменных аппаратов данного типа [89,90,92].

Основная особенность ТЭУ, работающего в режиме интенсификации теплообмена - совпадение направлений естественной и принудительной теплопередачи, что позволяет использовать дополнительные возможности для совершенствования конструкций и должна быть учтена при разработке расчетных методик. Оптимизация массогабаритных, энергетических и технико-экономических показателей ТЭУ данного типа, должна проводиться с учетом специфики объекта теплового воздействия, условий работы, температуры окружающей среды, что позволяет правильно оценить

37 возможности ТЭУ в режиме интенсификации теплопередачи и проводить обоснованный и целенаправленный их выбор для различных теплообменных аппаратов. В связи с этим целью исследований настоящей диссертационной работы является обоснование целесообразности и эффективности применения термоэлектрических устройств в пастеризационно - охладительных установках для обработки молока. Данная цель подразумевает решение следующих задач:

1. Провести анализ существующих типов пастеризационно - охладительных установок и определить перспективы их развития;

2. Разработать методику построения обобщённой структурной технологической схемы пастеризационно - охладительной установки с энергоресурсосберегающими свойствами;

3. Теоретически и экспериментально исследовать и обосновать параметры термоэлектрических блоков для пастеризации и охлаждения молока;

4. На основе математического моделирования процессов пастеризации и охлаждения молока, разработать метод расчёта термоэлектрической системы пастеризационно—охладительной установки;

5. Провести лабораторные и производственные испытания разработанной установки;

6. Дать технические предложения для комплекта оборудования и технико-экономическую оценку.

Сделать общие выводы и дать рекомендации.

Выводы по главе

1. Анализ процессов и оборудования для тепловой обработки молока показывает, что это наиболее энергоемкие высоко затратные процессы, выполняемые на молочных фермах и в линиях молокоцехов. Наиболее эффективными и экономичными являются пластинчатые пастеризационно-охладительные установки.

2. В качестве альтернативного источника тепловой энергии при совершенствовании пастеризационно-охладительных установок вместо промежуточных хладо-теплоносителей (горячая вода, ледяная вода, пар) следует применять высокотехнологичные экологически безопасные, компактные и бесшумные термоэлектрические модули, встраиваемые в теплообменные пластины с образованием горячих и холодных каналов для соответствующей обработки молока на МТФ, ЛФХ и КФХ.

3. Конструкции термоэлектрических преобразователей наглядно доказьюают, что сфера практического применения эффекта Пельтье растёт не только в традиционных его приложениях (космос, военная техника, теплофизическое приборостроение), но и в медицине, с/х промышленности, бытовой технике и др. Термоэлектрические системы начинают конкурировать с традиционными методами искусственного нагрева и охлаждения в диапазоне до нескольких сотен Ватт, а для объектов со специальными требованиями по массогабаритным, виброакку-стическим и надежностным характеристикам - практически не имеют конкурентов.

39 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПАСТЕРИЗАЦИОННО-ОХЛАДИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА ТЭМ

2.1 Существующие методы расчета термоэлектрических устройств

В зависимости от назначения, условия работы термоэлектрические охлаждающие устройства (ТЭОУ) могут быть различными. Спаи термоэлементов (ТЭ) при этом могут находиться либо в непосредственном контакте с нагреваемым или охлаждаемым телом, либо омываются потоками хладо- и теплоносителя.

Термоэлектрические устройства (ТЭУ) проточного типа представляет собой термоэлектрические батареи (ТЭБ) с конвективными теплообменниками на тепло-поглощающей и тепловыделяющей сторонах, являются по существу теплообменником - рекуператором, если в ТЭБ отсутствует электрический ток. При этом изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена происходит по известным в теплопередаче зависимостям для прямо- и противоточного движения сред. Наличие тока питания в ТЭБ меняет характер переноса теплоты в ТЭМ, который определяется теперь еще и эффектами Пельтье, Томсона и Джоуля. При этом характер изменения температур сред вдоль поверхностей батарей описываются иначе, чем для обычного рекуператора.

Рассмотрим режимы работы ТЭОУ в стационарных условиях. В большинстве работ [47, 51, 52, 77] в качестве наиболее характерных выделяются два экстремальных режима: максимальной холодопроизводительности и режим максимальной энергетической эффективности. Второй режим характеризуется наибольшим значением холодильного коэффициента, однако, - значительно меньшей холодо-производительностью, чем максимально достижимая. В качестве экстремальнога выделяют также режим минимального тока [54], имеющий практическое значение для слаботочных ТЭБ, применяемых для термостабилизации радиоэлектронных элементов. Данный режим характеризуется минимально возможным значением рабочего тока, при котором обеспечивается заданный перепад темпе-ратур и холодопроизводительность. По энергетической эффективности режим минимального тока занимает промежуточное положение между режимами макси-

40 мального холодильного коэффициента и максимальной холодопроизводительно-. ста. Методика расчета ТЭБ в режиме максимальной энергетической эффективности с учетом влияния теплоотдачи изложена в работах [47,49].

Особенностью работы термоэлектрических холодильных машин является изменение температур потоков в ТЭОУ проточного типа, что определяет различие в условиях работы ТЭМ в зависимости от их расположения по длине батареи. При этом возможны три подхода к расчету ТЭБ.

1. Батарея собрана из одинаковых ТЭМ. Расчет ведется по усредненным температурам потоков.

2. Батарея собрана из одинаковых ТЭМ. Расчет ведется с учетом изменения температур потоков вдоль поверхности батареи.

3. Батарея собрана из ТЭМ, геометрические размеры которых определяют работу каждого из них в оптимальном режиме. Расчёт ведётся с учётом изменения температур потоков и геометрических размеров ТЭМ.

При расчёте ТЭБ проточного типа заданным на входе являются температуры хладо и теплоносителя, которые отличаются от температур спаев на величину, определяемую условиями теплообмена. В работе [77] приведены результаты экспериментальной, а в работе [47] - аналитической оценки влиянии интенсивности теплоотдачи на режим работы ТЭМ, из которых следует, что интенсифицировать теплообмен на спаях целесообразно вплоть до достижения значений чисел Био 15...20.

Влияние величины коэффициентов теплоотдачи при допущении монотонности изменения температур потоков (площадь отдельных элементов мала по сравнению с площадью батареи) учтено в работе [48], где получены соотношения для изменения температур потоков при прямо- и противоточном их движении в-устройстве. Аналитически показана возможность возникновения периодически меняющегося температурного поля в режиме противотока при определенной совокупности параметров как следствие противоположно действующих факторов (тепла Пельтье и кондуктивных тепловых потоков в ветвях), соотношение между которыми меняется вдоль батареи.

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА | 41

Режим максимальной энергетической эффективности аналитически исследован в работе [47] при условии достаточно малого изменения температур потоков. Получены соотношения для определения оптимальных по энергетической эффективности параметров ТЭБ при различных вариантах постановки задачи.

Соотношения для изменения температур хладо и теплоносителя в случае прямо- и противоточного движения с учетом конечных значений коэффициентов теплоотдачи получены в работе [66], где также выведены уравнения для расчета нагрузочных характеристик проточной ТЭБ. Здесь же получены приближенные выражения для определения потребного числа ТЭМ в батарее, в случае интенсивного теплообмена с теплоносителями.

Задача об оптимальных геометрических размерах ТЭМ вдоль батареи для заданной холодопроизводительности и ограниченной площади батареи решена в [47]. Внешняя необратимость процесса теплопереноса в ТЭБ проточного типа (т.е. термические сопротивления теплоотдачи) учтена в работе [55], где получены выражения, связывающие температуры входа и выхода при прямоточном и противоточном движении теплоносителей. С помощью полученных зависимостей могут быть рассчитаны нагрузочные характеристики устройства при известных значениях водяных эквивалентов потока.

Уравнения, описывающие изменение температур сред вдоль поверхностей батарей с учетом величин коэффициентов теплоотдачи, получены в работе [53], здесь также исследованы энергетические характеристики ТЭБ с ТЭМ оптимальной площади.

На основании выше рассмотренных работ отметим, что ТЭБ, в которых температуры хладо и теплоносителя изменяются незначительно из-за больших расходов, выполняются из одинаковых ТЭМ. При этом наиболее простым, но приближенным является метод расчета по средним температурам потоков.

Наиболее полно исследованы нестационарные режимы ТЭУ, состоящих из ТЭМ, которые работают в одинаковых температурных условиях. Для таких устройств исследование работы батарей можно проводить на примере одного элемента [47,49].

При построении математической модели устройства известны два подхода.

В первом случае математическая модель в виде уравнения теплопроводности учитывает распределение температуры по высоте ТЭМ. Уравнение теплопроводности решается совместно с граничными условиями, математическая запись которых соответствует реальным тепловым процессам на спаях с большей или меньшей степенью точности.

В одной из первых работ [69], посвященных нестационарным процессам в ТЭМ, получены выражения для изменения температуры в присоединенной к теп-лопоглощающему спаю массе с бесконечной теплопроводностью после включения тока для условия стабилизированной температуры тепловыделяющего спая.

В работе [25] получена связь в общем виде между температурой адиабатно изолированного теплопоглощающего спая и формой питающего тока, в виде интегрального уравнения для модели ТЭМ с полубесконечными ветвями.

Решение для задач с граничными условиями, учитывающими тепловую нагрузку и конвективный теплообмен на охлаждающей стороне, получено для температурного поля в ТЭМ после включения тока, как при условии стабилизированной температуры тепловыделяющего спая, так и при условии конвективного теплообмена на нем [17].

Зависимость температуры теплопоглощающего спая от напряжения питания после включения ТЭМ получена с учетом присоединенной массы бесконечной теплопроводности, тепловой нагрузки и конвективного теплообмена на охлаждающей стороне для условия стабилизированной температуры тепловыделяющего спая [48].

Возможность достижения при нестационарном процессе более глубокого охлаждения тепловыделяющего спая, нежели максимальное охлаждение в стационарном режиме объясняется безинерционностью эффекта поглощения и выделения тепла Пельтье на спаях ТЭМ. Эти нестационарные процессы широко исследованы экспериментально [33, 60, 62] . Расчеты исследований систематизированы в монографии [85], где дана единая методика расчета и описаны области практического применения данного явления. Задача снижения инерционности тер-

43 моэлектрического охлаждения может быть решена также применением в ТЭМ ветвей переменного сечения [8,13,25].

Другим, более простым подходом в определении ММ ТЭМ является рассмотрение уравнение теплового баланса на спаях. При этом холодо- и теплопроизводи-тельность устройства определяется по зависимостям стационарного режима, т.е. распределение температуры по высоте ТЭМ принято не зависящим от времени. Такой подход является в общем случае не корректным и справедлив лишь при квазистационарности температурного поля в ветвях ТЭМ, что возможно, когда теплоемкость элементов, их термическое сопротивление мало и процесс рассматриваете* при больших значениях времени.

В работе [73] приведен метод расчета нестационарных процессов в ТЭБ, основанный на допущении квазистационарности батарей от разности температур нагреваемого и охлаждаемого объектов.

Анализ, а также достоинства нестационарных и комбинированных режимов работах [10, 31]. Изучению подобных вопросов также посвящены работы [9, 15]. Однако, во многих случаях в этих работах формулы для расчета температуры получены в виде бесконечных рядов, которыми неудобно пользоваться для коротких импульсов рабочего тока, обеспечивающих заметное дополнительное охлаждение реальных систем. Данный недостаток можно обойти методом асимптотических оценок [31], позволяющий определить температурное поле нестационарного охлаждающего устройства с учетом теплоемкости контактных слоев и объектов охлаждения, тепловыделения этим объектом, контактного электрического сопротивление, теплообмена с окружающей средой при малых временньк воздействиях.

В работе [26] получены передаточные функции для ТЭМ, горячие спаи которого теплостабилизированны, при возмущении по напряжению питания.

Динамика проточных ТЭУ при возмущениях по температурам подробно исследована в диссертации [16], где учитываются изменения температур спаев вдоль ТЭБ. Изменение температур спаев необходимо учитывать в устройствах со значительной разницей температур входа=выхода теплоносителей, на-

44 пример, термоэлектрических кондиционерах. В данной работе выполнены исследования, посвященные также изучению нестационарных режимов ТЭУ по их передаточным функциям и не могут быть использованы для расчета ТХМ, оптимально работающих при переменной температуре теплоносителя.

Переходные процессы в проточном термоэлектрическом охладителе экспериментально исследованы в работе [73].

Известны секционные проточные термоэлектрические охладители, которые отличаются тем, что они состоят из нескольких ТЭБ, расположенных друг от друга на некотором расстоянии, поэтому изменение температуры теплоносителя по длине этого устройства имеет немонотонный характер. Передаточные функции в таких охладителях получены при допущениях, что каждая секция имеет сосредоточенные параметры, температура тепловьщеляющих спаев стабилизирована, а присоединенные к теплопоглощающим спаям элементы, изотермичны по толщине [62].

Если установка работает как на охлаждение, так и на нагрев, то обдув внешней средой имеет смысл делать только при отопительном коэффициенте, большем единицы. Если он становится меньше единицы, то вентилятор нужно отключить, и батарея будет работать как обычный электронагреватель.

В научных исследованиях и при создании конструкций аппаратов недостаточно внимания уделено снижению энергетических затрат, металлоёмкости и повышению надёжности в работе.

Проведенный анализ показывает, что, несмотря на большое количество работ выполненных в данном направлении практически отсутствуют в отечественной и мировой практике теплообменные аппараты со встроенными термомодулями для выполнения соответствующих процессов в пищевой промышленности. Поэтому дальнейшее совершенствование таких аппаратов возможно на основе гибридизации существующих пластинчатых теплообменных установок и термоэлектрических систем (ТЭС).

45 Ведущим направлением развития пастеризационно-охладительных установок является совершенствование тонкослойных пластинчатых аппаратов с использованием новых методов энергетического воздействия на молоко.

Нами предлагается дальнейшее повышение КПД энергетического цикла оборудования за счет расширения рекуперативных процессов на конечных стадиях пастеризации и глубокого охлаждения молока с обоснованием применения термоэлектрических модулей в качестве источников для одновременного получения тепла и холода и соответствующего их использования при обработке молока. Данные модули используются пока только в охладительных установках, а энергия, отбираемая от охлаждаемого объекта не используется. Между тем обоснованное применение данного способа заключается в рекуперировании тепловых потоков на конечных стадиях технологического процесса, а именно охлаждения и пастеризации молока и создания на этой основе принципиально новой энергосберегающей технологии тепловой обработки молока.

В выше перечисленных пастеризационно-охладительных установках нет встроенных холодильных машин, осуществляют регенерацию тепла только на стадии пастеризации. Источник холода, как правило, холодильная машина фреонового типа или система естественного холода, располагается в машинном отделении и связанна с установкой через циркулирующий хладоноситель. Это вызывает дополнительные потери энергии на циркуляцию хладоносителя, затраты на монтаж и эксплуатацию оборудования. Таким образом оценка эффективности всего энергетического цикла установки "нагревание - охлаждение" представляется, несомненно, интересным направлением, с целью дальнейшего повышения КПД пастеризационно-охладительной установки. Заслуживает внимание изучение и создания компактных термоэлектрических установок для выполнения конечных этапов пастеризации и охлаждения молока.

46 2.2 Исследование процесса теплообмена в секциях пластин с термоэлектрическими модулями

Как уже было показано в п. 2.1 с наибольшей эффективностью термоэлектрические модули (элементы Пельтье) возможно использовать как для охлаждения так п для нагревания жидких сред (воды, молока и т.д.).

Принципиальные схемы таких элементарных теплохолодильных секций с учетом характера движения жидкостей могут выглядеть следующим образом.

а) прямоток

б) противоток

Рисунок 2.1 - Принципиальные схемы пластинчатых теплохолодильных секций с термоэлектрическими модулями: q_x, q_z - соответственно охлаждаемый и нагреваемый потоки жидкости, л/мин; Q_x, Q_z - соответственно теплота, отбираемая от охлаждаемой среды и теплота, передаваемая нагреваемой среде; 1 - охлаждающая пластина; 2 - термоэлектрический модуль; 3 - греющая пластина

Схемы (рис. 2.1, а; 2.1 б) можно использовать в пластинчатых теплообмен-ных аппаратах, пастеризационно-охладительных установках или в пластинчатых охладителях. При этом в этих секциях значительно интенсифицируется процесс теплообмена за счет охлаждения горячей стороны модулей потоком жидкости.

47 Значительно полнее используется тепловая энергия, вырабатываемая термомодулем (Q_x⁺Q₃)' В дальнейшем мы подробнее рассмотрим расчет именно этих схем.

Как известно из анализа, в термоэлектрическом модуле при прохождении тока через термоэлемент в спае происходит поглощение или выделение (в зависимости от направления тока) тепла Пельтье, определяемое по формуле

Q_n=aIT, (2.1)

где / - сила тока, А.; Г - абсолютная температура спая, С; а - суммарный коэффициент термо ЭДС.

Прохождение тока вызывает выделение тепла по закону Джоуля во всем объеме вещества термомодуля

Q_m = I²R = I²[E/(a_pS_p) + /(c7_nS_n)], (2.2)

где R - электрическое сопротивление термоэлемента, Ом; I - длина ветви термоэлемента, мм; a_Pi а„- соответственно удельные электропроводности ветвей рпп- типа, Ом/м; S_p, S„- площади сечения ветвей р - типа ий- типа, мм .

Тепло, перетекающее от горячего спая к холодному за счет теплопроводности материала термомодуля, определяется по формуле

Q_T=R-bT = ($_p-S_p/t+S_n.{„/t)AT, (2.3)

где _р, _п - соответственно коэффициенты теплопроводности ветвейрМП -типа; AT- разность температур между спаями, С.

Кроме этих эффектов, возникает еще эффект Томсона. Он заключается в поглощении тепла во всем объеме ветви термомодуля при прохождении по ней тока в направлении, противоположном температурному градиенту. Количество тепла Томсона

48
О_г=(г,-т₂)/АГ, (2.4)

где г і и г 2 - коэффициенты Томсона.

Коэффициент Томсона имеет положительный знак, если градиент da/dT>Q и отрицательный, если da/dT<0. Соответственно и тепло Томсона может быть отрицательным и положительным. Чем больше отношение —, тем больше влияние

эффекта Томсона. Обьино величина эффекта Томсона мала и ей можно пренебречь.

Рассмотрим работу термомодуля в режиме охлаждения

^{а-а-сйл*/2)-4-, (2.5)}

где Q₀ - количество тепла, поглощаемое спаем (холодопроизводительность), Вт; Q_n - поглощение или выделение (в зависимости от направления тока) тепла Пельтье, Вт; 0^/2 - теплота, вьщеляемая в термомодуле отнесенная к одной пластине, Вт; Q_T - теплота, перетекающая от горячей пластины к холодной, Вт.

Для равных сечений термоэлемента и средних значений а и

Q_Q = аГГ_х - l4l(aS) - АТ *2S/, (2.6)

где Т_х - абсолютная температура холодного спая, С. Теплота, снимаемая с горячих спаев

Qr=Q_n+(Qwn)-QT=«IT_r + I²KoS)-2S*t*AT/ = Q₀ + W, (2.7)

где Т_г - абсолютная температура горячего спая, С; W - электрическая мощность, потребляемая термоэлементом, кВт-ч.

Экономичность работы термоэлектрического холодильника оценивается холодильным коэффициентом Б

_Q₀ _ (aIT_x -I²*R/2-2S* AT It)

(alAT+TR)

(2.8)

dT-ДГтп /W

Рисунок 2.2 - Зависимость поглощения и выделения тепла на холодном спае термомодуля от силы тока

В соответствии с теорией усредненных температурных потоков, общий тепловой поток через поверхность теплообмена определяется интегралом.

Q=JKAtdF,

(2.9)

где F - поверхность теплообмена, м²; At - разность температур, С; dF - элементарная площадка теплообмена; К- коэффициент теплопередачи, Вт/м²-С.

50 В нашем случает для упрощения расчетных выражений примем вполне логичные допущения, а именно: поверхность одной теплообменной пластины р приблизительно равна суммарной поверхности расположенных на ней термоэлектрических модулей.

fnM*tf, (2-Ю)

где f_m - площадь одной теплообменной пластины, м²; /_тэм - площадь, занимаемая одним термомодулем, м²; п - число термомодулей, расположенных на одной пластине.

В общем случает для плоской многослойной стенки, коэффициент теплопередачи находится из уравнения:

к-Т-фгТ- ^(2Л1)

а, іЧ ^аг где: а, - коэффициент теплоотдачи от от более нагретой жидкости к стенке; S_t -толщина теплообменных пластин, мм; А, - теплопроводность материала, Вт/кг-С; а₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к менее нагретой жидкости.

Если за время г по обеим сторонам стенки протекают в одном и том же направлении с одной стороны более нагретая, а с другой менее нагретая жидкость и со всех других сторон обе жидкости ограничены теплонепроницаемой средой, то теплообмен будет происходить только через стенку.

Температура обеих жидкостей будет изменяться по мере протекания их вдоль поверхности нагрева вследствие теплообмена, но для каждой отдельной точки стенки температура должна быть установившейся.

Через элемент поверхности нагрева dF (рис. 2.2) за промежуток времени г проходит количество тепла

dQ^Kr^-t^dF. (2.12)

При параллельном токе жидкостей их температуры соответственно изменяются:

ОД'

- более нагретой жидкости на dt_{ =

менее нагретой жидкости на dt₂ =

G₂C₂'

Знаки минус и плюс в этих уравнениях показывают, что при теплообмене температура теплой жидкости понижается, а холодной повышается.

Назовем произведения GC «водяным эквивалентом» и обозначим G\Ci~W\,

G₂C₂=W₂, 1/Wj+1/W₂=m

Вычитая величину изменения температуры менее нагретой жидкости из величины изменения температуры более нагретой жидкости, получим

\W_X⁺W_2>

d_h-dt₂^d{t_x-t₂) = --^₇-^_r,nmd(t_l-t^-dQ или d(t_x-t₂)=-dQm, откуда dQ = -\ ^'"~²'

Рисунок 2.3 - Изменение температуры при параллельном токе

Подставив найденное значение dQ в уравнение (2.12), получим

^) = -^,

(2.13)

h-h

Обозначив температуры в начале поверхности индексом «н», а в конце индексом «к» и интегрируя последнее уравнение в пределах от О до F, получим

А/

ИЛИ In-±-^ = In^- = -m_KTF,

Чи Чн

(2.14)

52 где At_H=ti—t2„ - начальная разность температур;

AtK=tiK—t2K - конечная разность температур.

Из этого уравнения получим зависимость разности температур в виде показательной функции

Ч-Че-*". (2.15)

где е-основание натуральных логарифмов.

Из уравнения (2.15) следует, что разность температур будет с течением времени понижаться асимптотически от первоначальной величины At_H до нуля, т. е. до полного выравнивания температур обеих жидкостей. Это произойдет тем быстрее, чем больше коэффициент теплопередачи К и поверхность нагрева F и чем меньше водяные эквиваленты Wi и W2, т. е. чем меньшие объемы используемых жидкостей.

После прохождения жидкостей по поверхности F температуры их будут равны t_1K и t_2K.

Количество тепла, переданное через поверхность F, равно

Q = W_x(t_u-t_u) = W₂(t_2K-t_2H), (2.16)

Откуда _m=±+± ₌ (''"-0+(^-0 (2.17)

^J W_x W₂ Q

Подставив значение т в ранее выведенное уравнение (2.14), получим

/^-^К'ь-О-К^)] ₍₂₁₈₎

Ч Q

но {t_u -t_lK)+{t_2K -t_2H) = (t_lu -t_b)-{t_u -t_2K), (2.19)

или (t_u-t_2H)-(t_XK-t_2x) = M„-&t_K (2.20)

и тогда Q = -KFT^At" ^ = KFr ^-j~,

(2.21)

At..

A/„

w,>w₂

Рисунок 2.4 - Изменение температуры при противотоке

Обозначив среднюю логарифмическую разность температур или средний температурный напор At_cp, отсюда

At -At At -At

Af И К И К

p~ At At '

In^- 2,3/g^
AC At_r

(2.22)

Получим окончательно Q=KFrAt_cpi

(2.23)

Это выражение является уравнением теплопередачи при переменных температурах для установившегося состояния процесса в случае параллельного тока жидкостей.

Если температура жидкостей вдоль поверхности нагрева изменяется незначительно и отношение —*-<2, то среднюю разность температур At_cp с достаточ-

ной точностью можно определить как среднеарифметическую

At_cp=0,5{At_H+At_K) (2.24)

54 Уравнения (2.22) и (2.23) остаются верными и для теплообмена при движении жидкостей противотоком. В этом случае при выводе уравнения теплопередачи согласно схеме на рис. 2.3 следует принять

dt₂ =-*Q-, т=-—- (2.25)

Средняя разность температур определяется, так же как и для параллельного тока, по уравнению (2.22), причем начальной разностью температур At,, является наибольшая и конечной At_K - наименьшая разность.

Если GjCj>G2C2, то (t_lK -t_2H) > (ti„ - t_2K) и следовательно,

At_H = t_lK - t_2m At_K = t_lH - t_2K (2.26)

Если G₂c₂>Gic_h то (t_iH - t_2K) > (t_iK - t_2l)

At_H = t_lH - t_2K, At_K = t_lK - t_2H (2.27)

Процесс теплообмена, протекающий по схеме с воздушным охлаждением жидкости g_x с начальной температурой /„ охлаждается до конечной температуры t_k. Теплота Q отбирается термоэлектрическими модулями через пластину и отдается в окружающую среду. Теплота, отбираемая от охлаждаемой жидкости, определяется по формуле

Q = F-K-tJ (2.28)

Определяем At с небольшим допущением по известным методикам, имеем

_{Д/ =} ^₌Ак₎ (2.29)

где Atmax, At_min - соответственно максимальная и минимальная разность температур между охлаждаемой жидкостью и стенкой термомодулей, С.

55 С другой стороны теплота Q воспринимается термомодулем и откачивается им через "горячую" стенку в окружающую среду. Из условия сохранения теплоба-ланса

6 = 0,,

(2.30)

Подставляя соответствующие значения в (2.30), получим

1 А, 1

ln-

(А*-. Чй.Ц._ааГГх-iHl(trS)-&I-2SH,

Аґ„

(2.31)

Искомая поверхность теплообмена F, по горячей или холодной стороне выра-

зится

1 А 1

aIT_x-l4l(aS)-ZLT2SU [а_{⁺%~^⁺а_2у

F =

max min

Д^шах-^тш

A/„...

(2.32)

В выражении (2.32) следует опустить величину —, поскольку конвективный

or,

теплообмен между термомодулем и пластиной отсутствует. Величину ]-* можно выразить следующим образом

М Л Лт/r ^я^

(2.33)

где Зм, <5ии - соответственно, толщина теплообменной пластины термомодуля, Щ ^пл> ^п.м - теплопроводность материала пластины и пластина термомодуля, (Вт/кг-С).

56 С учетом принятых соображений перепишем выражение (2.32)

1 8,

_ —+-*

,_arr_x-l4l{aS)-&T2Sll [^ 4J

ІП.^пш

^==-, (2.34)

Д/„ -A/_mi„ Af_m -А/

max nun max "им

Искомое число пластин Z определяется

Z = -f = -^-, (2.35)

у га V /

С другой стороны, чтобы обеспечить передачу теплоты Q - Qo на холодной стороне, необходимо с горячей стороны термомодулей отвести теплоту

Qe = Qo+W₀, (2.36)

Теплота Q_r отводится через поверхность F_r.

Q_r=a_r-bT_r-F_r, (2.37)

AT_r=T_r-T_B, (2.38)

где Т_г, Т_в - соответственно температура горячей стенки термомодуля и температура воздуха, С.

Подставляя в (2.34) значение соответствующих параметров Q_r (2.37), ЛТ_Г (2.38) и выражая Fr, запишем

Q_r аГГ_г +14 /(crS) - 2S&T 11 ₍₂₃gs

а_г-АГ_г a_r-(T_r-T_B)

Анализируя выражение (2.39) можно сделать вывод, что для интенсификации теплообмена необходимо увеличить коэффициент теплоотдачи от горячих сторон

57 термомодулей. Это можно сделать, введя водяное охлаждение горячих спаев термомодулей. Рассмотрим теплообмен, протекающий по схемам (рис. 2.1, а и 2.1, б). Задачи исследования данных по следующим направлениям:

1) при заданных значениях охлаждаемых и нагреваемых потоков и фиксиро
ванном перепадах температур по холодной и горячей сторонам определить
искомые поверхности теплообмена по холодной (F_x) и горячей (Ff) сторо
нам.

Данная задача может быть поставлена, когда известны граничные условия функционирования пластинчатого теплообменника (по технологии).

2) при заданных значениях перепадов температур и фиксированной поверх
ности теплообмена, определить расходы охлаждаемой (qx) и нагреваемой
(qf) жидкости.

Первая задача может решаться при разработке новых типов пастеризационно-охладительных установок, когда по ТЗ заданы основные параметры установки: производительность, начальная и конечная температура молока и хладоносителя, а требуется определить поверхность теплообмена.

Вторая задача чаще встречается при использовании существующих теплообменников и установке на них термоэлектрических модулей, а в качестве искомых величин будут расходы охлаждаемой и нагреваемой сред.

Расчет "холодных" сторон в схемах (рис. 2.1, а и 2.1, б) не будет отличаться от схемы с воздушным охлаждением и может проводиться по формулам (2.32...2.39). Что касается "горячей" стороны, то здесь возникает принципиальное отличие. Теплота Q_r будет отводиться потоком д_г, омывающим "горячую" сторону термомодулей.

Qr=1r'Cr^r_H-t^r_K), (2.40)

где Сг - теплоемкость нагреваемой жидкости, „ ; tu, t_K - соответственно,

кг- С

начальная и конечная температура нагреваемой жидкости, С.

С другой стороны эта теплота передается через поверхность "Fr и может

быть выражена известной формулой

CP>

Qr^KrFrti,

(2.41)

Коэффициент теплопередачи запишется по аналогии с "холодной" стороной

\^а2 А.Щ1 Км.

(2.42)

где ofc - коэффициент теплоотдачи от пластин к нагреваемой жидкости. Величина "At_Cp" также определяется с учетом (2.29)

Д/L-A/l

(2.43)

Д/1

А/1

где Atmax, At_min - соответственно максимальная и минимальная разности температур между горячей стенкой термомодуля и нагреваемой средой.

пл , пм

aIT_r+I²/((TS)-2S^ATU = q_r-C_r(^-t^r_K)=\—+^-+

\^а2 4ш/ '"ПМ J

С учетом полученных выражений (2.39...2.43) уравнение теплового баланса для горячей стороны запишется следующим образом

F_r-to^r_CP, (2.44) С учетом последнего получим систему расчетных уравнений

F_r-

_ аГГ_г + iHljpS) - 2SAT/ aIT_r + I²/(crS)-2S^AT/

>

(2.45)

\^a2 ""ПЛ *"ПМ J

^Д4 J

Аналитическую систему уравнений можно получить и по холодной стороне, добавив к уравнению (2.34) уравнение для q_x, полученное по аналогии с выражением (2.44)

Оо=Я_х-С_х(4-4), (2.46)

Подставляя значение Q₀ и выражение ^ окончательно, получим

Ях =

_ аГГ_х -I^і -/((xS)-^T2S/

c_x{tf_t-t^x_K)

(2.47)

Запишем важное для любого теплообменника соотношение расходов qx/qr

. q_x arr_x-l4l(cS)-&T2SIL.C_r{t^r_u-t^r_K) Чг С_х [t^x_H - t^x_K) [aIT_r + ІЧ I(aS) - ЩЬТІ і)

Для практических расчетов целесообразнее использовать схему с противотоком при однокаскадном расположении модулей.

При допущениях потерь тепла в окружающую среду за время одного цикла работы и отсутствия влияния внешних теплоперетоков в термоэлектрических секциях выражения (2.45) составляют математическую модель в виде системы уравнений устанавливающих зависимость параметров нагрева и охлаждения от необходимой производительности термосекций.

Расчет многокаскадных систем не будет иметь существенного отличия от приведенных выше расчетов, т.к. "холодная" сторона каскада будет охлаждать горячую сторону первого и т.д. Отличия только могут быть в подсчете коэффициента теплопередачи, когда у средних каскадов теплота будет передаваться только вследствие теплопередачи, а конвекция с охлаждаемыми и нагреваемыми средами будет отсутствовать.

Многокаскадное модулирование позволяет получить AT порядка 70-80 С и обеспечить по горячей стороне нагрев жидкости (молока) до температуры пастеризации / = 72-76 С-и более при начальной температуре *#«10 С.

В тоже время по холодной стороне необходимо обеспечить охлаждение продукта до конечной температуры 4...6 С. Это обстоятельство позволит по-новому компоновать пастериционно-охладительное оборудование, исключая из него промежуточные секции водяного охлаждения.

Расчет таких высоконапорных по перепаду температур устройств представляет большое научное и практическое значение.

С целью выявления общих характеристик среди всего многообразия решений создания установки было проанализировано около двадцати патентных материалов.

60 На основе вышеизложенного проведем энергетическое обоснование новой технологии путем сравнительного анализа с уже существующей технологией первичной обработки молока.

2.3 Обоснование энергетической целесообразности применения термоэлектрических устройств в современных пастеризационное

охладительных установках

Сравнительный энергетический анализ новой и существующей технологии пастеризации и охлаждения молока, основан на комплексе отдельных подсистем (звеньев), участвующих в технологическом процессе, с учетом их энергетических функций.

tn = 74 С

нагревание t_P1 = 35-40С,

Рисунок 2.5 - Энергетический цикл существующей технологии обработки молока на современной автоматизированной пластинчатой пастеризационно-охладительной установке:

/ - зона нагревания молока в первой секции рекуперации; 2 - зона нагревания молока во второй секции рекуперации; 3 - зона «доводочного» нагревания молока в секции пастеризации; 42, 4\ - зоны охлаждения молока, соответственно во второй и первой секциях рекуперации; 5 - зона предварительного охлаждения молока водопроводной водой; 6 - зона охлаждения ледяной водой от внешнего источника естественного или искусственного холода

Входящее на установку молоко с температурой (4... 10 С) подогревается в первой секции рекуперации (рис. 2.5.) до температуры t_pl = 35...40 С, затем во второй секции рекуперации до температуры t_P2 = 64, проходя окончательную «доводку» в секции пастеризации до t„ = 74 С. Затем молоко поступает в выдерживатель трубчатого типа, где пребывает примерно 20 С и поступает на охлаждение, проходя обратный путь в следующей последовательности: 4ъ 4\-ъ первой и второй секции рекуперации; 5 - в секции предварительного охлаждения водопроводной водой; 6- в секции охлаждения ледяной водой.

За счет рекуперативного охлаждения (зоны 4и) молоко теряет температуру с 74 С до 20 С, затем с 20 С до 12... 11 С молоко сначала охлаждается в секции предварительного охлаждения водопроводной водой и окончательно доохлаждается в секции охлаждения ледяной водой от внешнего источника искусственного и естественного холода, до конечной температуры t_K - 4 С.

Данная технология принята на всех современных автоматизированных пастеризационно-охладительных установках для молока, эффективность работы которых принято оценивать коэффициентом рекуперации или регенерации (Е), который представляет собой отношение возвращенного (рекуперативного) количества теплоты (Q_p) к общему количеству теплоты, необходимому для нагревания молока от начальной температуры до конечной (пастеризации) Q„.

Коэффициент Е обычно выражается

_Е=0р_=0С»«рг-и) ₍₂₄₉ч

a. Qcjt.-u

Или окончательно

Е=⁽*^р2~^К) 100%. (2.50)

0.-U

В современных пластинчатых пастеризаторах он достигает 85...87 %, что

делает сам процесс обработки молока весьма эффективным. Однако в совокупной

технологии нагрева и охлаждения молока этот показатель недостаточно

информативен, поскольку он характеризует только одну половину процесса.

Суммарный коэффициент регенерации Е_Е для процессов нагревания и

охлаждения будет характеризовать коэффициент возвращенной энергии при

нагревании и охлаждении молока к общей энергии на вьшолнение данных

процессов

^Qv+Qp _10т /₂₅₁₎

где Q_pn - теплота, рекуперируемая при нагревании (пастеризация Q_n), кДж; Q_p0XJl. -теплота, рекуперируемая при охлаждении молока, кДж; Q^. - теплота, отводимая при охлаждении молока, кДж.

tp2 = 66С 3

tn = 74

f_P2 = 2Г/С

охлаждение

нагревание 1р1 = 35Cf

Рисунок 2.6 - Энергетический цикл новой технологии тепловой обработки молока на базе пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях (с двумя термоэлектрическими секциями):

1 - зона рекуперативного подогревания молока в первой секции пластинчатого теплообменника; 2 - зона рекуперативного нагревания молока в пластинчатом теплообменнике во второй секции; 3 - зона доводочного нагревания молока в термоэлектрической секции пастеризации; 4 - зона рекуперативного охлаждения молока в пластинчатом теплообменнике; 5 - зона предварительного охлаждения молока в термоэлектрической секции пастеризации; б - зона доохлаждения молока в термоэлектрической секции глубокого охлаждения

В первой зоне происходит рекуперативный подогрев молока за счет теплоты, отбираемой от охлаждаемого молока в первой секции пластинчатого аппарата от начальной температуры до температуры 35 С.

Во второй зоне происходит дальнейшее рекуперативное нагревание в пластинчатом теплообменнике от идущего противотоком пастеризованного молока (с 35 до 66 С).

Выходящее из пластинчатого теплообменника молоко доводится до температуры пастеризации (t_n = 74 С), выдерживается при данной температуре в течении 20 секунд и снова возвращается в пластинчатый теплообменник-рекуператор, где охлаждается противотоком от идущего на пастеризацию молока до температуры 20 С. На выходе из пластинчатого теплообменника молоко возвращается на предварительное охлаждение в термоэлектрическую секцию пастеризации, поступая на рекуперативную холодную пластину (зона 5), выходя из которой молоко направляется в зону 6 для глубокого охлаждения.

Принципиальным отличием новой технологии является возврат энергии на всех стадиях процесса нагрева и охлаждения, а именно:

зона 1 за счет возвращения теплоты, отбираемой от молока при глубоком охлаждении, процессы 2 и 4 протекают также, как в существующей технологии, за счет рекуперативного теплообменника в пластинчатом аппарате, зоны 3...5 связаны между собой теплотой, сообщаемой молоку при пастеризации и, одновременно, данное количество теплоты отбирается в зоне 5 при предварительном охлаждении молока.

Таким образом, зонами возвратимой энергии (теплоты) в новой технологии являются зоны 6...1, 2...4 и 3...5, а энергия на проведение тепловых процессов затрачивается только в зонах 3 и 6, то есть на конечных стадиях процессов пастеризации и охлаждения.

В существующей технологии энергия затрачивается в зонах 3,5 и 6.

Таким образом, совокупный коэффициент регенерации по новой технологии выше и определяется

^s" Q_lH+Q₂„+Qs_H+Q<_H+Qs„+Q₆/ где Qm + Qm~ количество теплоты, сообщаемой или отбираемой от молока, кДж. В существующей технологии совокупный коэффициент регенерации

г> Qlc "*" У 2с "** У4.2с ⁺ У4.1с (2 53)

^с Qic+Qu+Qic+Quc+Quc+Qb+Qj

Исходя из диаграмм энергетических циклов существующей и новой технологии обработки молока, представленных на рис. 2.6, легко установить следующее

Qm +Q2H =Qic +Q₂c =Qpn.T., (2.54)

Qm * Que + Que -Qpn.r. > (2.55)

где Qpn.r. - рекуперируемое количество теплоты в пластинчатом теплообменнике, кДж.

В выражениях приведены соответствующие значения количества теплоты (Q) сообщаемой молоку или отбираемой от него в соответствующих зонах энергетического цикла работы сравниваемых технологий.

Знаменатели выражений для определения совокупных коэффициентов регенерации представляют общее количество теплоты за энергетический цикл работы установки.

Введем соответствующие обозначения Q^_H. и Q^c, которые можно приравнять бдя. = Qac.

С учетом введенных обозначений после подстановки их в выражение для Ezh, Esc запишем

_Е ²QpnM+Q_Pm.n ^ (2.56)

где Qpx.n - количество теплоты рекуперируемое при охлаждении молока в термоэлектрической секции пастеризации новой установки, кДж.

Аналогичным образом, можно записать выражение для коэффициента регенерации на существующей установке

65
%=%Ч (2.57)

Анализ способов и технических средств для тепловой обработки молока на фермах

Термин «пастеризация» связан с Луи Пастером - французским ученым, основоположником современной микробиологии и иммунологии.

Л. Пастер изучал проблему скисания вина, вызванную жизнедеятельностью микроорганизмов. Тепловая обработка вина, рекомендованная Л. Пастером, стала называться пастеризацией. Впоследствии этот термин был перенесен на тепловую обработку пищевых жидкостей, в том числе молока [93].

Основоположником современной теории создания аппаратов для тепловой обработки молока является русский ученый Г.А. Кук, который разработал теоретические основы пастеризации и теорию расчета аппаратов.

Установлено, что гибель патогенных микроорганизмов происходит при определенных комбинациях численных значений температуры и времени и, таким образом, достигается положительный результат в отношении пищевой безопасности молока. Тем не менее, при этом могут проявляться нежелательные факты изменения компонентов молока, связанные со снижением его пищевой ценности и потребительских свойств. С начала создания первого пастеризатора в 1827 г. до настоящего времени основными направлениями научных исследований и конструкторских работ в области пастеризации молока являются: разработка режимов пастеризации и способов воздействия на молоко тепловой, электрической, лучистой и другими видами энергии с целью обеззараживания и сохранения его качеств; создание конструкций пастеризаторов, обеспечивающих четкое и эффективное исполнение процесса пастеризации, удобных и надежных в эксплуатации. Современные пастеризаторы, как правило, являются комбинированными аппаратами, конструктивно совмещающими подогреватель, секцию пастеризации, выдер-живатель и охладитель. Они обеспечивают выполнение 2-х и более технологических операций обработки молока таких, как очистка, пастеризация, охлаждение, сепарирование, нормализация и др. По источнику использования энергии на нагрев и обеззараживание молока современные пастеризаторы можно подразделить на паровые и электрические: с индукционным нагревом, с омическим нагревом, с инфракрасным нагревателем, высокочастотные вибраторы (ультразвуковые), а так же фрикционные с механическим нагревом и ультрафиолетовым воздействием [84]. Схема изменения температуры молока в таком аппарате представлена на рисунке 1.1. Заштрихованная область соответствует области пастеризации, т.е. все части аппарата, для которых t 60 являются пастеризующими. Остальные части аппарата для определения критерия Ра не имеют значения. Практически время, необходимое для достижения пастеризационного эффекта, выше теоретического ввиду ряда обстоятельств, в частотности из-за неравномерности полей скоростей и температур по сечению потока, из-за пастеризации молока низкого качества или не подготовленного соответствующим образом, зависит от обслуживания животных [15]. Пастеризуемое молоко должно быть очищено от посторонних примесей. В молоке не должно быть воздушных пузырьков. Желательна минимальная бактериальная обсемененность пастеризуемого молока. При любой тепловой обработке, в том числе при пастеризации, происходит изменение физико-химических свойств молока. Изменение свойств молока при пастеризации зависит от температурно-временных режимов и типа аппарата [44,93,94,127]. При длительной пастеризации (температура 63С, выдержка 30 мин.) выделяется до 5% от общего количества альбумина, наблюдается небольшое ухудшение отстаивания жира, удаляется углекислый газ, что вызывает уменьшение кислотности молока на (0,5-1 )Т. При температуре 75С начинается денатурация альбумина, который не осаждается, а переходит в форму свертывающегося от воздействия кислот, сернокислого магния. Продолжительное нагревание при 75С или увеличение температуры усиливает денатурацию альбумина, но его свертывание наступает только при под-кислении молока. При нагревании молока до 85С в течение 1 мин большая часть альбумина денатурируется, а при 95С денатурируется весь альбумин. При нагревании до температуры выше 85С, кроме альбумина, частично изменяется казеин. При пастеризации фосфорнокислые и лимоннокислые известковые соли переходят в нерастворимые. Выпадение белков и нерастворимых фосфорнокислых солей при нагревании молока ведет к отложению на нагревательных поверхностях пастеризаторов плотного осадка («молочного камня»). Отечественная промышленность изготовляет различные конструкции тепловых аппаратов, которые резко отличаются друг от друга не только источниками использования энергии для нагревания молока, но и энергетическими, эксплуатационными, технологическими и другими показателями (рис. 1.2).

Существующие методы расчета термоэлектрических устройств

В зависимости от назначения, условия работы термоэлектрические охлаждающие устройства (ТЭОУ) могут быть различными. Спаи термоэлементов (ТЭ) при этом могут находиться либо в непосредственном контакте с нагреваемым или охлаждаемым телом, либо омываются потоками хладо- и теплоносителя.

Термоэлектрические устройства (ТЭУ) проточного типа представляет собой термоэлектрические батареи (ТЭБ) с конвективными теплообменниками на тепло-поглощающей и тепловыделяющей сторонах, являются по существу теплообменником - рекуператором, если в ТЭБ отсутствует электрический ток. При этом изменение температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена происходит по известным в теплопередаче зависимостям для прямо- и противоточного движения сред. Наличие тока питания в ТЭБ меняет характер переноса теплоты в ТЭМ, который определяется теперь еще и эффектами Пельтье, Томсона и Джоуля. При этом характер изменения температур сред вдоль поверхностей батарей описываются иначе, чем для обычного рекуператора.

Рассмотрим режимы работы ТЭОУ в стационарных условиях. В большинстве работ [47, 51, 52, 77] в качестве наиболее характерных выделяются два экстремальных режима: максимальной холодопроизводительности и режим максимальной энергетической эффективности. Второй режим характеризуется наибольшим значением холодильного коэффициента, однако, - значительно меньшей холодо-производительностью, чем максимально достижимая. В качестве экстремальнога выделяют также режим минимального тока [54], имеющий практическое значение для слаботочных ТЭБ, применяемых для термостабилизации радиоэлектронных элементов. Данный режим характеризуется минимально возможным значением рабочего тока, при котором обеспечивается заданный перепад темпе-ратур и холодопроизводительность. По энергетической эффективности режим минимального тока занимает промежуточное положение между режимами максимального холодильного коэффициента и максимальной холодопроизводительно-. ста. Методика расчета ТЭБ в режиме максимальной энергетической эффективности с учетом влияния теплоотдачи изложена в работах [47,49].

Особенностью работы термоэлектрических холодильных машин является изменение температур потоков в ТЭОУ проточного типа, что определяет различие в условиях работы ТЭМ в зависимости от их расположения по длине батареи. При этом возможны три подхода к расчету ТЭБ. 1. Батарея собрана из одинаковых ТЭМ. Расчет ведется по усредненным температурам потоков. 2. Батарея собрана из одинаковых ТЭМ. Расчет ведется с учетом изменения температур потоков вдоль поверхности батареи. 3. Батарея собрана из ТЭМ, геометрические размеры которых определяют работу каждого из них в оптимальном режиме. Расчёт ведётся с учётом изменения температур потоков и геометрических размеров ТЭМ. При расчёте ТЭБ проточного типа заданным на входе являются температуры хладо и теплоносителя, которые отличаются от температур спаев на величину, определяемую условиями теплообмена. В работе [77] приведены результаты экспериментальной, а в работе [47] - аналитической оценки влиянии интенсивности теплоотдачи на режим работы ТЭМ, из которых следует, что интенсифицировать теплообмен на спаях целесообразно вплоть до достижения значений чисел Био 15...20. Влияние величины коэффициентов теплоотдачи при допущении монотонности изменения температур потоков (площадь отдельных элементов мала по сравнению с площадью батареи) учтено в работе [48], где получены соотношения для изменения температур потоков при прямо- и противоточном их движении в-устройстве. Аналитически показана возможность возникновения периодически меняющегося температурного поля в режиме противотока при определенной совокупности параметров как следствие противоположно действующих факторов (тепла Пельтье и кондуктивных тепловых потоков в ветвях), соотношение между которыми меняется вдоль батареи. Режим максимальной энергетической эффективности аналитически исследован в работе [47] при условии достаточно малого изменения температур потоков. Получены соотношения для определения оптимальных по энергетической эффективности параметров ТЭБ при различных вариантах постановки задачи. Соотношения для изменения температур хладо и теплоносителя в случае прямо- и противоточного движения с учетом конечных значений коэффициентов теплоотдачи получены в работе [66], где также выведены уравнения для расчета нагрузочных характеристик проточной ТЭБ. Здесь же получены приближенные выражения для определения потребного числа ТЭМ в батарее, в случае интенсивного теплообмена с теплоносителями. Задача об оптимальных геометрических размерах ТЭМ вдоль батареи для заданной холодопроизводительности и ограниченной площади батареи решена в [47]. Внешняя необратимость процесса теплопереноса в ТЭБ проточного типа (т.е. термические сопротивления теплоотдачи) учтена в работе [55], где получены выражения, связывающие температуры входа и выхода при прямоточном и противоточном движении теплоносителей. С помощью полученных зависимостей могут быть рассчитаны нагрузочные характеристики устройства при известных значениях водяных эквивалентов потока. Уравнения, описывающие изменение температур сред вдоль поверхностей батарей с учетом величин коэффициентов теплоотдачи, получены в работе [53], здесь также исследованы энергетические характеристики ТЭБ с ТЭМ оптимальной площади. На основании выше рассмотренных работ отметим, что ТЭБ, в которых температуры хладо и теплоносителя изменяются незначительно из-за больших расходов, выполняются из одинаковых ТЭМ. При этом наиболее простым, но приближенным является метод расчета по средним температурам потоков.

Лабораторная установка для проведения экспериментальных исследований

Установка включает в себя и работает следующим образом. Молоко с начальной температурой подается в молокоприёмный бак 1, а оттуда молочным насосом 2 подается в секцию предварительного нагрева сырого молока 3.2, на выходе которой стоит температурный датчик 3.3, секция расположена в блоке охлаждения и электрически связана с блоком питания и управления. В данной секции связанной термоэлектрическими модулями с секцией охлаждения 3.1 идет подогрев за счет отбираемого тепла при охлаждении молока. Затем молоко направляется в блок рекуперативного теплообмена в первую секцию рекуперации, где дополнительно подогревается до температуры сепарирования, затем проходит вторую секцию рекуперации, после которой направляется в блок пастеризации 5, проходя секцию пастеризации 5.1, где молоко дополнительно нагревается до температуры пастеризации, получая тепло от термоэлектрических модулей через теплообменные пластины. На выходе из секции температура молока контролируется устройством контроля температуры пастеризации 7. В случаях не достижения температуры пастеризации, перепускной клапан 6 возвращает молоко в молокоприёмный бак 1 на повторную обработку по трубопроводу 10, при достижении температуры пастеризации перепускной клапан 6 автоматически направляет поток молока в вы-держиватель 8, в котором молоко пребывает некоторое время при температуре пастеризации, после чего возвращается во вторую секцию рекуперации 4.3, где отдает тепло встречному потоку молока, идущего на пастеризацию. На выходе из второй секции рекуперации 4.3, молоко отводится в секцию предварительного охлаждения 5.2 блока пастеризации 5, где от молока отбирается тепло термоэлектрическими модулями через теплообменные пластины. Предварительно охлажденное молоко возвращается в блок рекуперативного теплообмена 4 в первую секцию рекуперации 4.2, где отдает тепло идущему противотоком нагреваемому молоку. Из первой секции рекуперации, молоко поступает в секцию промежуточного охлаждения 4.1, где дополнительно охлаждается водой, после чего направляется до окончательного охлаждения в секцию 3.1 блока охлаждения. Из которой направляется на разлив. Блоки пастеризации и охлаждения работают за счет подвода двух проводов +, - от блока управления.

Установка позволяла проверить работоспособность, качественные показатели работы термоэлектрических модулей. Производственные испытания показали удовлетворительную работу макетной установки, при этом было выявлено недостаточное количество секций теплообмена, что говорит о необходимости повышения рабочей мощности блоков (приложение № 4).

На основе многофакторного планирования эксперимента получены графические зависимости и управления процессов теплообмена в термоэлектрических секциях пастеризации и охлаждения, устанавливающие взаимосвязь теплотехнических (Кх, К„ Qx, Qr), гидравлических (qx, qr) и конструктивных параметров теплообменника (поверхность, производительность, число пластин).

Определены оптимальные энергетические параметры функционирования термомодулей и источника стабилизированного питания ( U = 48 В; I =50А) постоянного тока, а так же тип и количество термомодулей на одной тепло-обменной пластине ленточно - поточного типа с поверхностью 0,05 м , используемой в серийных охладителях молока АДМ - 33.000. Разработаны оптимальные схемы движения охлажденных и нагреваемых потоков и компоновки теплообменных пластин со встроенными термоэлектрическими модулями для секций глубокой пастеризации и глубокого охлаждения молока производительностью до 600 л/ч. Разработана обобщаемая структурно-технологическая схема пастеризаци-онно-охладительной установки модульного типа с термоэлектрическими секциями производительностью до 600 л/ч, включающая молокоприемный бак для сырого молока, насос для циркуляции продукта, пластинчатый двухсекционный рекуперативный теплообменник, секцию предварительного водяного охлаждения, термоэлектрической секции пастеризации и глубокого охлаждения, выдерживатель и комплект КИПиА.

Целью данного раздела является обоснование целесообразности и эффективности применения термоэлектрических устройств в серийных пастеризационно-охладительных установках.

Серийные пастеризационно-охладительные установки требуют применения в агрегате фреоновых холодильных машин для глубокого охлаждения молока (4 С) на конечной стадии технологического процесса. Применение встроенных компактных термоэлектрических устройств непосредственно в составе пастеризационно-охладительных установок представляет несомненный научный и , практический интерес, как в данной работе, так и в аналогичных задачах, решаемых в других производствах.

Работа предлагаемых термоэлектрических устройств основана на эффекте Пельтье, связанном с выделением или поглощением теплоты при прохождении тока через контакт (спай) 2-х разных проводников, что позволяет управляя технологическими потоками через теплообменные пластины как охлаждать, так, одновременно, и нагревать продукт. Именно такая задача ставится перед пастеризационно-охладительной установкой.

Результаты разработки технологической схемы лабораторной установки цля определения теплотехнических и гидравлических параметров блока нагрева и охлаждения

Анализ процессов и оборудования для тепловой обработки молока показывает, что это наиболее энергоемкие, высоко затратные процессы, выполняемые на молочных фермах и в линиях молокоцехов. Наиболее эффективным и экономичным являются пластинчатые пастеризационно-, охладительные установки.

В качестве альтернативного источника тепловой энергии при совершенствовании пастеризационно-охладительных установок вместо промежуточных хладо-теплоносителей (горячая вода, ледяная вода, пар) следует применять высокотехнологичные экологически безопасные, компактные и бесшумные термоэлектрические модули, встраиваемые в теплообменные пластины с образованием горячих и холодных каналов для соответствующей обработки молока на молочно товарных фермах (МТФ), личных и кре-стьянско-фермерских хозяйствах ЛФХ и КФХ.

Анализ энергетических циклограмм работы современных пластинчатых пастеризационно-охладительных установок показал, что дальнейшее их совершенствование возможно за счет расширения зоны рекуперативных процессов теплообмена на конечных стадиях обработки молока: глубокого охлаждения и пастеризации.

Обоснованы оптимальные параметры циклограммы работы пастеризацион-но-охладительной установки с одной и двумя термоэлектрическими секциями обеспечивающие повышение коэффициента рекуперации на 7 % и предложены аналитические зависимости для его расчета. Предложены математические модели и аналитические зависимости расчета термоэлектрических секций пастеризации и глубокого охлаждения, рекуперативного теплообменника для блочно-модульного проектирования пастеризационно-охладительных установок производительностью до 1000 л/ч. На основе многофакторного планирования эксперимента получены графические зависимости и управления процессов теплообмена в термоэлектрических секциях пастеризации и охлаждения, устанавливающие взаимосвязь теплотехнических (Кх, Кг, Qx, Qr), гидравлических (qx, qr) и конструктивных параметров теплообменника (поверхность, производительность, число пластин).

Определены оптимальные энергетические параметры функционирования термомодулей и источника стабилизированного питания (U = 48 В; I =50А) постоянного тока, а так же тип и количество термомодулей на одной тепло-обменной пластине ленточно - поточного типа с поверхностью 0,05 м2, используемой в серийных охладителях молока АДМ - 33.000. Разработаны оптимальные схемы движения охлажденных и нагреваемых потоков и компоновки теплообменных пластин со встроенными термоэлектрическими модулями для секций глубокой пастеризации и глубокого охлаждения молока производительностью до 600 л/ч.

Разработана обобщаемая структурно-технологическая схема пастеризаци-онно-охладительной установки модульного типа с термоэлектрическими секциями производительностью до 600 л/ч, включающая молокоприемный бак для сырого молока, насос для циркуляции продукта, пластинчатый двухсекционный рекуперативный теплообменник, секцию предварительного водяного охлаждения, термоэлектрической секции пастеризации и глубокого охлаждения, выдерживатель и комплект КИПиА.

Похожие диссертации на Обоснование параметров работы пастеризационно-охладительной установки на термоэлектрических модулях

Разработка и обоснование параметров и режимов работы биогазовой установки для крестьянских (фермерских) хозяйствХамоков, Марат Мухамедович

Обоснование параметров и разработка доильной установки для работы в горных условиях Аракелян Роберт Арутюнович

Обоснование параметров и режимов работы нагнетательной пневмотранспортной установки для выгрузки зерна из хранилища при его напольном хранении Пикалов Александр Валерьевич

Обоснование параметров и режимов работы дозатора семян установки для производства семенных лентКурамшин Марат Рустамович

Обоснование основных параметров и режимов работы мелкодисперсной дождевальной установки для горного и предгорного садоводстваЯхтанигов Мухамед Александрович

Обоснование параметров и режимов работы моторно-трансмиссионной установки сельскохозяйственного трактора (На примере трактора Т-404) Павленко Вадим Витальевич

Обоснование параметров и режимов работы системы мойки молокопровода доильных установок для доения коров в стойлахЖмырко Андрей Михайлович

Обоснование параметров вентиляционно-сушильной установки и режимов ее работы при подсушке и временном хранении початков кукурузыСыдыков, Шурат Курбанович

Обоснование параметров и режимов работы диафрагменного молочного насоса доильных установокФедюшин Александр Николаевич

Разработка установки для тепловой обработки зерна с обоснованием конструктивных параметров и режимов работыПавлушин Андрей Александрович