Закономерности тепломассообмена при десублимации водяного пара в пространственных компоновках промышленных десублиматоров

Актуальность работы.

В настоящее время потребность в ряде пищевых продуктов, прошедших сублимационную сушку, не снижается, несмотря на то, что современные технологии охлаждения позволяют пользоваться свежими продуктами практически весь год, а получение медико-биологических препаратов, биологически активных добавок и химических веществ с применением сублимационных методов обработки представляет всё больший интерес.

Хранение материалов, подвергнутых сублимационной обработке, не требует существенных затратправильно упакованные (с использованием вакуумных термоусадочных плёнок и т. п.) пищевые продукты можно содержать в условиях нерегулируемых температуры и влажности, при том, что такие качества продукта, как цвет, аромат, питательные свойства, содержание витаминов сохраняются практически полностью, как сохраняется первоначальная клеточная структура, определяющая, в том числе, общие объёмные характеристики. При оводнении продукт относительно легко и быстро поглощает влагу.

При наличии достаточно широкого ассортимента установок иностранного производства, развитие отечественного оборудования сублимационной сушки должно быть основано на реализации технических решений, повышающих эффективность как отдельных элементов, так и сублимационной установки в целом.

Неотъемлемой частью любой установки сублимационного обезвоживания, в значительной степени определяющей эффективность её работы, является система удаления образующейся в процессе сушки парогазовой смеси. В промышленных условиях для удаления конденсирующегося при данном давлении компонента смеси (водяной пар) используется процесс десублимации (т.е. конденсации пара в твердое состояние).

В связи с вышесказанным, интенсификация процессов массообмена, обеспечение надёжности работы и простоты эксплуатационного обслуживания десублиматора представляются актуальными задачами при создании отечественного сублимационного оборудования.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре теоретических основ теплои хладотехники Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий в соответствии с планом научно-исследовательских работ по теме: «Исследование равновесных свойств и коэффициентов переноса жидких и газообразных природных холодильных агентов и хладоносителей» (г.р. № 1 200 119 228) по заданию Федерального Агентства по образованию.

Цель работы и задачи исследования. Интенсификация тепломассообменных процессов эвакуации парогазовой смеси и разработка на их основе высокопроизводительного сублимационного конденсатора.

В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:

— установление • закономерностей и особенностей процесса десублимации пара на охлаждаемых поверхностях, обеспечивающих равный потенциал переноса пара, разработка соответствующей физико-математической модели;

— составление программы расчёта полей парциальных давлений водяного пара и толщин слоёв десублимата, определения времени эффективной работы охлаждаемой поверхности;

— экспериментальная проверка адекватности предложенной физико-математической модели;

— отыскание оптимальных параметров конструктивных элементов и режимных параметров сублимационного конденсатора;

— разработка инженерного метода расчёта десублиматоров, в которых реализуется концепция аппарата с различными температурами нескольких охлаждаемых элементов.

Объект исследования. Процесс вымораживания водяного пара в сублимационных конденсаторах при моделировании способов компоновки их охлаждаемых поверхностей.

Методика исследования. Разработка модели процесса десублимации в аппарате с различными температурами нескольких охлаждаемых поверхностей, проведенной с учётом результатов исследования эффективности алгоритмов расчёта десублиматоров применением математического моделирования на ЭВМ и экспериментального на лабораторной установке.

Научная новизна. Впервые получены и обобщены данные по десублимации водяного пара при наличии нескольких температур разноудалённых от сублиматора сложноориентированных охлаждаемых элементов.

Получены данные по условиям обеспечения постоянного потенциала переноса независимо от расстояния до охлаждаемого элемента и его ориентации в пространстве вакуумной камеры.

Экспериментально и теоретически обоснована конструкция десублиматора, в которой реализуется равномерность осаждения десублимата по всей охлаждаемой поверхности без позиционного регулирования холодильной машины.

Практическая ценность. Полученные на основании теоретических и экспериментальных исследований инженерные методики расчёта десублиматоров, реализованные в виде программ для ЭВМ, позволяющие, в том числе, компоновать десублиматор с учётом конфигурации энергопродуктового блока. Практические результаты исследования использованы ООО «БИОХИМТЕХ» при разработке сублимационного оборудования для отрасли прикладной биотехнологии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Юбилейной 54-й студенческой научно-технической конференции (СПб, 2001 г.) — научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, докторантов, аспирантов и студентов по итогам НИР (СПб, 2001;2005 г. г.) — 56-й научно-технической конференции Творчества молодых «Петербургские традиции хлебопечения, пивоварения и консервирования» (СПб, 2003 г.) — второй международной научно-технической конференции, посвящённой 300-летию Санкт-Петербурга «Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке» (СПб, 2003 г.) — научно-технической конференции с международным участием «Айс-сларри и однофазные хладоносители» (СПб, 2004 г.) — второй международной научно-технической конференции, посвящённой 100-летию проф. Попова В. И. «Прогрессивные технологии и оборудование для пищевой промышленности» (Воронеж, 2004 г.) — научно-технической конференции «Холодильные масла и масло-фреоновые смеси» (СПб, 2005 г.) — международной конференции «Сублимационная сушка в фармацевтике и пищевой промышленности» (Москва, 2005 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах, подана заявка на патент Российской Федерации (приоритет № 2 005 110 597/22(12 390) от 10.04.05).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 123 страницы основного машинописного текста, 27 страниц приложений, 48 иллюстраций и 3 таблицы. Список использованной литературы включает в себя 128 наименований работ, из них 121 отечественных и 7 зарубежных авторов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Анализ современных теоретических разработок и путей совершенствования на их основе технологического оборудования для сублимационной сушки показывает перспективность применения предложенной схемы хладоснабжения десублиматора, обеспечивающей различные температуры разноудалённых от сублиматора секций его охлаждаемых элементов. При этом условие осуществления наиболее быстрого сброса льда диктует плоскую их форму.

2. Разработаны физико-математическая модель и алгоритм расчёта процесса десублимации водяного пара в сублимационном конденсаторе с различными температурами отдельных секций и расстояниями между парными охлаждаемыми элементами, образующими канал течения парогазовой смеси.

3. Создана программа расчёта на ЭВМ полей парциальных давлений водяного пара, местоположения фронта фазового перехода, расчёта времени работы охлаждаемой поверхности. Сопоставление опытных и расчётных данных подтверждает адекватность принятой физико-математической модели реальным условиям сушки.

4. Проведена классификация характерных режимов десублимации пара, различающихся индивидуальной динамикой продвижения фронта десублимации. Выделены три режима: перекрытия, поршневой, фронтального осаждения.

5. Установлены теоретически и подтверждены экспериментально с достаточной для инженерных расчётов точностью (9%) зависимости удельной объёмной льдоёмкости десублиматора Gv (с использованием которой проводилась оценка эффективности работы аппарата) от величины удельной тепловой нагрузки на его охлаждаемых поверхностях, геометрических и температурных параметров, позволившие выработать рекомендации по выбору рациональных параметров работы десублиматора.

6. Результаты математического и экспериментального моделирования десублиматора в условиях рассмотренной постановки задачи позволяют говорить о возможности увеличения объёмной льдоёмкости десублиматора в 2ч-2,5 раза.

7. Показано, что увеличение перепада температур разноудалённых от сублиматора охлаждаемых поверхностей приводит к росту массы намерзающего льда G и объёмной льдоёмкости Gv, однако эффективно только до определённого предела (в среднем 12 °C при W=1750 Вт/м2 и 20 °C ¦j при W=1750 Вт/м), более которого рост Gv незначителен.

8. Льдоёмкость десублиматора G при росте расстояния между парными охлаждаемыми поверхностями sdec монотонно увеличивается, однако графики зависимости Gv от sdec имеют максимумы, объясняемые тем, что при росте sdec более соответствующего указанным максимумам объём десублиматора превалирует над ростом G. Указанные максимумы Gv являются пределом эффективности при данных условиях.

9. Корректировка объёмной льдоёмкости десублиматора может осуществляться увеличением угла между охлаждаемыми поверхностями а, образующими сужающийся в направлении течения пара канал. При этом, хотя рост, а и приводит к повышению льдоёмкости десублиматора, нецелесообразно увеличивать его более 5ч-8 и 7ч-11 градусов при, соответственно, W= 1750 и 500 Вт/м по причине уменьшения объёмной льдоёмкости.

10. Предложены схемы конструкций, методика инженерного расчёта промышленных десублиматоров встроенного и выносного типов.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке ООО «БИОХИМТЕХ» и НПО «Молния» образцов промышленных десублиматоров сублимационных установок, предназначенных использования в отраслях прикладной биотехнологии.