Моделирование и оптимизация рекуперативных аппаратов в условиях обледенения теплопередающих стенок

Актуальность темы

В основе применяемых в настоящее время инженерных методов расчета рекуперативного теплообмена между жидкими или газообразными теплои хладоносителями находится допущение (обычно умалчиваемое) об отсутствии термоградиентной составляющей переноса тепла вдоль потоков носителей. При этом стационарный процесс теплопередачи в проточных аппаратах описывается математически системой, состоящей из двух линейных дифференциальных уравнений 1-го порядка с граничными условиями в виде заданных температур теплои хладоносителей в подводящих патрубках. Указанное выше допущение приводит к сравнительно простым формулам для расчета продольных профилей температур, усредненного температурного напора и полного теплового потока через теплопередаю-щую стенку аппарата [1 — 13]. Однако это же допущение существенно ограничивает область адекватного применения известных методов расчета: они приемлемы лишь при достаточно больших скоростях течения и отсутствии продольного перемешивания в каналах аппарата, когда гидродинамическая структура потоков близка к модели идеального вытеснения [12, 14 — 16]. Между тем, в действительности такие условия далеко не всегда выполняются и игнорирование этого факта чревато значительными погрешностями в результатах расчета.

Для интенсификации процесса охлаждения жидких продуктов часто исполь-зуют хладоносители, температура которых ниже температуры замерзания охлаждаемой жидкости. При этом возникает проблема, обусловленная возможностью обледенения теплопередающей стенки со стороны теплоносителя, порождающая следующие вопросы. При каких условиях происходит обледенение? Каковы толщина и характер распределения образующегося ледяного слоя на теплопередающей стенке? Каково влияние обледенения на теплообмен в аппарате при различных направлениях потоков теплои хла-доносителей, в частности — прямоточном и противоточном? Без ответов на эти вопросы нельзя определить конкретные меры, направленные на оптимизацию теплообмена в аппаратах, работающих в указанных условиях.

Несмотря на существующую тенденцию перехода к непрерывно действующим аппаратам, специфические особенности технологии производства некоторых химических и многих пищевых и микробиологических продуктов определяют целесообразность использования аппаратов периодического действия (например, охладительные кристаллизаторы, аппараты для охлаждения и осветления пивного сусла, охлаждаемые ферментаторы и сборники дрожжевого концентрата). Обычно аппараты такого типа снабжены мешалкой или циркуляционным насосом и теплообменным устройством в виде рубашки или змеевика. Ввиду большой емкости этих аппаратов, время их заполнения исходным продуктом составляет значительную долю общей продолжительности проводимого процесса. С целью интенсификации теплообмена в период заполнения аппарата применяют различные устройства для распределения подаваемого^ продукта по всей теплопередающей поверхности, выполненные, например, в виде перфорированной трубы или желоба, а также — в виде диска, установленного на валу мешалки. При этом жидкий продукт тонкой сплошной пленкой стекает по стенкам теплообменника. Условия теплообмена в объеме аппарата, частично заполненном продуктом, и в стекающей пленке могут существенно отличаться. Математическое описание кинетики теплообмена осложняется тем, что в период заполнения аппарата уровень находящегося в нем продукта непрерывно изменяется, что приводит к необходимости формулировать и решать задачу в квазистационарном приближении.

Цель работы: развитие теоретической базы, применяемой в практике расчета и оптимизации рекуперативных аппаратов.

Научная новизна:

1. Поставлена и решена аналитически задача стационарного теплообмена в прямоточных и противоточных аппаратах с учетом термоградиентного переноса вдоль потоков теплои хладоносителей при наличии внутренних тепловых источников (или стоков).

2. Та же задача решена для случаев, когда теплопередающая стенка со стороны теплоносителя подвержена сплошному и частичному обледенению.

3. Сформулированы условия оптимизации теплообмена в проточных аппаратах непрерывного действия, работающих в условиях возможного обледенения, при этом показано преимущество прямоточного движения тепло-и хладоносителей перед противоточным.

4. Решена задача оптимизации теплообмена в емкостном аппарате циклического действия.

5. Предложена новая конструкция аппарата для охлаждения и последующего термостатирования суспензии, работающего в оптимальном тепловом режиме.

Практическая значимость и реализация результатов исследования. На основе полученных аналитических решений разработана методика инженерного расчета оптимальных тепловых режимов и конструкций аппаратов. Разработан проект модернизации сборников дрожжевого концентрата, реализованный на 3-х промышленных предприятиях — АООТ «Дрожжи» (г. Воронеж), ОАО «Теткиноспирт» (Курская обл.), и принятый к реализации АООТ «Бахус» (Краснянский спиртзавод, Воронежская обл.). Отдельные результаты работы используются в учебном процессе в курсе «Теплотехника» на кафедре промышленной энергетики Воронежской государственной технологической академии.

Достоверность результатов и выводов. Правильность постановки и решения физико-математических задач гарантируется отсутствием каких-либо сомнительных допущений, корректным использованием известного операторного метода Лапласа и проверкой конечных результатов на выполнение общего теплового баланса. Достоверность выводов подтверждается ч положительными эффектами, выявленными при достаточно продолжительной эксплуатации модернизированных теплообменных аппаратов в производстве.

Апробация результатов исследования проводилась на отчетной научно-технической конференции ВГТА за 1999 г., межвузовском научном семинаре «Моделирование процессов теплои массообмена» (ВГТУ, 2000 г.) и технических советах предприятий АООТ «Дрожжи» (1998 — 2000 г.), ОАО «Теткиноспирт» (1999 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 4 публикации, получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

На защиту выносятся: новые аналитические решения задач рекуперативного теплообмена, полученные с учетом продольного" термоградиентного переноса теплоты в каналах аппарата й внутренних тепловыделенийметоды оптимизации процесса охлаждения жидкостей в условиях возможного обледенения теплопередающей стенкиновая конструкция аппарата для охлаждения суспензии.

Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, список обозначений, четыре главы, основные выводы, список литературы и прило.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Задача стационарного теплообмена в прямоточных и противоточных рекуперативных аппаратах при наличии внутренних тепловыделений и продольного термоградиентного теплопереноса имеет аналитическое решение, из которого следует, что названные факторы существенно влияют на процесс теплопередачи и должны учитываться при проектировании теплообменной аппаратуры.

2. Аналогичные задачи, осложненные сплошным или частичным обледенением теплопередающей стенки, также имеют аналитические решения, из которых, в свою очередь, вытекает возможность постановки и решения задач •оптимизации теплообменников, работающих в указанных условиях.

3. При охлаждении жидких продуктов до температуры, близкой к точке замерзания, и использовании низкотемпературных хладоносителей прямоточные аппараты обладают преимуществом перед противоточными, так как позволяют достигнуть максимальной холодопроизводительности при полном отсутствии обледенения.

4. Предложенная конструкция аппарата для охлаждения и термостати-рования суспензии, работающего в оптимальном циклическом режиме, позволяет существенно сократить энергозатраты на проведение процесса.

5. Разработанный проект модернизации сборников дрожжевого концентрата реализован на 2-х промышленных предприятиях и по результатам длительной производственной эксплуатации этих аппаратов получил положительную оценку, отраженную в актах внедрения.