Інтенсифікація теплообмінних процесів з використанням поверхнево-активних речовин
Вантажиться...
Дата
2012-04-19
Автори
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
ОНАХТ
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв.
В дисертаційній роботі розглядається проблема підвищення енергоефективності теплообмінної апаратури за теплової обробки рідкофазної сировини. Запропоновано новий безрозмірний комплекс - поверхневе число для характеристики теплоносія та можливості інтенсифікації теплопередачі. Встановлено, що значення числа Рₒ залежать від коефіцієнта поверхневого натягу теплоносія. Отримано залежність поверхневого числа від коефіцієнта поверхневого натягу теплоносія. Показано, що зменшення коефіцієнта поверхневого натягу мінімізує товщини приграничних шарів у системі стінка трубопроводу - вода, а значить збільшує середні швидкості в цих шарах, і як наслідок така система здатна ефективніше передавати кількість тепла. Обґрунтовано та експериментально підтверджено, що за раціональних концентрацій поверхнево-активних речовин (ПАР) значення поверхневого числа є мінімальним. Досліджено поверхневі властивості рослинних олій межі розділу фаз рідина - газ, рідина - тверда поверхня, рідина - рідина. Встановлено, що на межі розділу цих фаз рослинні олії ведуть себе як ПАР до компонентів молока. Визначено числові діапазони поверхневого числа для «льодяної» води та емульсії природного походження (молока) за додавання відповідних концентрацій ПАР. Показано, що додавання встановлених концентрацій до ПАР теплоносіїв забезпечує збільшення загального коефіцієнта теплопередачі кожухотрубного теплообмінника на 40 % , при цьому гідравлічний опір теплообмінника не збільшився.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. Диссертационная работа посвящена повышению энергоэффективности работы теплообменной аппаратуры при тепловой обработке жидкофазного сырья. На основе литературных данных проведен анализ методов интенсификации процесса теплообмена. Выявлены недостатки существующих методов. Обоснована необходимость разработки способа интенсификации теплообмена, который не приводил бы к росту гидравлического сопротивления системы. Для характеристики теплоносителя, с точки зрения возможности интенсификации теплопередачи предложен безразмерный комплекс поверхностное число Рₒ. Задачи исследований состоят в изучении эмпирических зависимостей, связанных с расчетом средней толщины приповерхностного ламинарного (Л) слоя на границе контакта фаз твердое тело - жидкость (стенка трубопровода - проток жидкости) и его теплового сопротивления; определении физических свойства водных растворов за добавление наиболее распространенных поверхностно-активных веществ (ПАВ) различной природы; поиск природных ПАВ к компонентам молока, определить их рациональные концентрации, при которых значения поверхностного числа являются минимальными; рассчитать и экспериментально проверить коэффициент теплопередачи нормализованного кожухотрубного теплообменника за добавление рациональных концентраций ПАВ до теплоносителей. Эксперименты проводились для двух модельных систем: 1 - "ледяная" вода и модельная система 2 - эмульсия природного происхождения с содержимым жира (молоко). К "ледяной" воде добавлялись наиболее распространенные анионные, неионогенные и катионные ПАР. За добавления рациональных концентраций поверхностноактивных веществ поверхностное натяжение теплоносителей уменьшается в 1,2...2 раза. В работе обоснован выбор растительных масел в качестве ПАВ к компонентам модельной жидкости 2 (компонентов молока). Установлены зависимость между поверхностными свойствами растительных масел (коэффициент поверхностного натяжения, угол смачивания и площадь растекания). Теснота связи между этими параметрами определялась коэффициентом парной корреляции г. Коэффициенты парной корреляции θ - σ и та θ - S_розт достаточно близки к единице и равняются соответственно γθσ = 0,868; та r_θS = 0,813, r_Sσ = 0,700. На основе корреляционного анализа выделены две группы растительных масел. К первой группе относятся тыквенное, подсолнечное масла, масла пшеничных зародышей и виноградных косточек, соевое масло. Это группа масел, которые характеризуются высокой, сравнительно с другими маслами поверхностной активностью. Вторая группа масел - это рапсовое, оливковое, арахисовое, кукурузное масла та масло греческого ореха. Найдено значение поверхностного числа для воды и для молока за добавление к ним рациональных концентраций ПАВ. Для водных растворов значение поверхностного числа представляет 253.86, для молока 127...106. Это объясняется тем, что коэффициент поверхностного натяжения сырого молока 50,38-10‾² Н/м, а воды - 73,25-10‾² Н/м, т.е. на много меньше. Малое значение коэффициента поверхностного натяжения молока обусловлено содержанием в нем молочного жира и белков, то есть содержанием фосфолипидов, которые являются также ПАВ. Показано, что добавление рациональных концентраций ПАВ разной природы к теплоносителям не только снижает коэффициент его поверхностного натяжения, но и минимизирует в 1,2.1,5 раза среднюю толщину приграничного Л слоя в системе стенка трубопроводу-теплоноситель, а значит уменьшить его термическое сопротивление, что в целом ведет к росту общего коэффициента теплопередачи. Так добавление к «ледяной» воды рациональных концентраций ПАВ приводит к повышению общего коэффициента теплопередачи рекуперативного теплообменника, на примере кожухотрубного теплообменника на 13-23%, а добавление к молоку рациональных концентраций природных ПАВ - к повышению общего коэффициента теплопередачи этого же теплообменника на 4 -10%. Рассчитано и экспериментально проверено, что добавление к молоку рациональной концентрации (0,5...0,55) масс.% тыквенного масла, а к "ледяной" воде рациональной концентрации (0,05...0,15) масс.%. октилфенилполиексилата увеличивает коэффициент теплопередачи кожухотрубчастого теплообменника на 40 %. Гидравлическое сопротивление при этом не увеличилось. Увеличение общего коэффициента теплопередачи кожухотрубного теплообменника под действием ПАВ фиксировали также экспериментально на стенде гидромеханических процессов, где находился макет кожухотрубного теплообменника. Экономическая эффективность внедрения нового способа интенсификации процесса охлаждения жидкофазного сырья за использование к теплоносителям соответствующих рациональных концентраций ПАВ составляет 29013 грн. в год для одной установки. Результаты работы внедрены на Львовском предприятии ООО «Пластфарма» и заводе пищевых продуктов «Компания «Данило Галицкий» в г. Винники Львовской области.
Dissertation on gaining of scientific degree of candidate of engineering sciences by speciality 05.18.12 are processes and equipments of food, microbiological and pharmaceutical productions. The problem of enhancement heat transfer duty of heat exchangers for liquid flows handling is considered in the thesis. The new dimensionless complex-the surface number - is proposed to characterize the fluid flow and possibilities to enhance heat transfer process. The dependence of Pₒ number from fluid surface tension coefficient is found and plotted. It is found and experimentally proved that for rational concentrations of surface active substances (SAS) the value of surface number is minimal. The surface properties of plant oils on the interfaces “liquid-gas”, “liquid-solid” and “liquid-liquid” were investigated. It is found that the behavior of these oils is similar to milk behavior on the boundary of the interface. Ranges of surface number for “ice” water and natural-generic emulsions were defined for SAS of appropriated concentrations addition. It is shown that addition of SAS in estimated concentrations to heat exchanged flows ensures the overall heat transfer increasing for shell-and-tube unit up to 40% while the pressure drop did not increase.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - процессы и оборудование пищевых, микробиологических и фармацевтических производств. Диссертационная работа посвящена повышению энергоэффективности работы теплообменной аппаратуры при тепловой обработке жидкофазного сырья. На основе литературных данных проведен анализ методов интенсификации процесса теплообмена. Выявлены недостатки существующих методов. Обоснована необходимость разработки способа интенсификации теплообмена, который не приводил бы к росту гидравлического сопротивления системы. Для характеристики теплоносителя, с точки зрения возможности интенсификации теплопередачи предложен безразмерный комплекс поверхностное число Рₒ. Задачи исследований состоят в изучении эмпирических зависимостей, связанных с расчетом средней толщины приповерхностного ламинарного (Л) слоя на границе контакта фаз твердое тело - жидкость (стенка трубопровода - проток жидкости) и его теплового сопротивления; определении физических свойства водных растворов за добавление наиболее распространенных поверхностно-активных веществ (ПАВ) различной природы; поиск природных ПАВ к компонентам молока, определить их рациональные концентрации, при которых значения поверхностного числа являются минимальными; рассчитать и экспериментально проверить коэффициент теплопередачи нормализованного кожухотрубного теплообменника за добавление рациональных концентраций ПАВ до теплоносителей. Эксперименты проводились для двух модельных систем: 1 - "ледяная" вода и модельная система 2 - эмульсия природного происхождения с содержимым жира (молоко). К "ледяной" воде добавлялись наиболее распространенные анионные, неионогенные и катионные ПАР. За добавления рациональных концентраций поверхностноактивных веществ поверхностное натяжение теплоносителей уменьшается в 1,2...2 раза. В работе обоснован выбор растительных масел в качестве ПАВ к компонентам модельной жидкости 2 (компонентов молока). Установлены зависимость между поверхностными свойствами растительных масел (коэффициент поверхностного натяжения, угол смачивания и площадь растекания). Теснота связи между этими параметрами определялась коэффициентом парной корреляции г. Коэффициенты парной корреляции θ - σ и та θ - S_розт достаточно близки к единице и равняются соответственно γθσ = 0,868; та r_θS = 0,813, r_Sσ = 0,700. На основе корреляционного анализа выделены две группы растительных масел. К первой группе относятся тыквенное, подсолнечное масла, масла пшеничных зародышей и виноградных косточек, соевое масло. Это группа масел, которые характеризуются высокой, сравнительно с другими маслами поверхностной активностью. Вторая группа масел - это рапсовое, оливковое, арахисовое, кукурузное масла та масло греческого ореха. Найдено значение поверхностного числа для воды и для молока за добавление к ним рациональных концентраций ПАВ. Для водных растворов значение поверхностного числа представляет 253.86, для молока 127...106. Это объясняется тем, что коэффициент поверхностного натяжения сырого молока 50,38-10‾² Н/м, а воды - 73,25-10‾² Н/м, т.е. на много меньше. Малое значение коэффициента поверхностного натяжения молока обусловлено содержанием в нем молочного жира и белков, то есть содержанием фосфолипидов, которые являются также ПАВ. Показано, что добавление рациональных концентраций ПАВ разной природы к теплоносителям не только снижает коэффициент его поверхностного натяжения, но и минимизирует в 1,2.1,5 раза среднюю толщину приграничного Л слоя в системе стенка трубопроводу-теплоноситель, а значит уменьшить его термическое сопротивление, что в целом ведет к росту общего коэффициента теплопередачи. Так добавление к «ледяной» воды рациональных концентраций ПАВ приводит к повышению общего коэффициента теплопередачи рекуперативного теплообменника, на примере кожухотрубного теплообменника на 13-23%, а добавление к молоку рациональных концентраций природных ПАВ - к повышению общего коэффициента теплопередачи этого же теплообменника на 4 -10%. Рассчитано и экспериментально проверено, что добавление к молоку рациональной концентрации (0,5...0,55) масс.% тыквенного масла, а к "ледяной" воде рациональной концентрации (0,05...0,15) масс.%. октилфенилполиексилата увеличивает коэффициент теплопередачи кожухотрубчастого теплообменника на 40 %. Гидравлическое сопротивление при этом не увеличилось. Увеличение общего коэффициента теплопередачи кожухотрубного теплообменника под действием ПАВ фиксировали также экспериментально на стенде гидромеханических процессов, где находился макет кожухотрубного теплообменника. Экономическая эффективность внедрения нового способа интенсификации процесса охлаждения жидкофазного сырья за использование к теплоносителям соответствующих рациональных концентраций ПАВ составляет 29013 грн. в год для одной установки. Результаты работы внедрены на Львовском предприятии ООО «Пластфарма» и заводе пищевых продуктов «Компания «Данило Галицкий» в г. Винники Львовской области.
Dissertation on gaining of scientific degree of candidate of engineering sciences by speciality 05.18.12 are processes and equipments of food, microbiological and pharmaceutical productions. The problem of enhancement heat transfer duty of heat exchangers for liquid flows handling is considered in the thesis. The new dimensionless complex-the surface number - is proposed to characterize the fluid flow and possibilities to enhance heat transfer process. The dependence of Pₒ number from fluid surface tension coefficient is found and plotted. It is found and experimentally proved that for rational concentrations of surface active substances (SAS) the value of surface number is minimal. The surface properties of plant oils on the interfaces “liquid-gas”, “liquid-solid” and “liquid-liquid” were investigated. It is found that the behavior of these oils is similar to milk behavior on the boundary of the interface. Ranges of surface number for “ice” water and natural-generic emulsions were defined for SAS of appropriated concentrations addition. It is shown that addition of SAS in estimated concentrations to heat exchanged flows ensures the overall heat transfer increasing for shell-and-tube unit up to 40% while the pressure drop did not increase.
Опис
Максисько, О. Р. Інтенсифікація теплообмінних процесів з використанням поверхнево-активних речовин : автореф. дис. ... канд. техн. наук : спец. 05.18.12 "Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв" / Максисько Оксана Романівна ; наук. кер. Ю. Л. Білонога ; Одес. нац. акад. харч. технологій, [Львів. нац. ун-т. вет. медицини та біотехнології ім. С.З. Гжицького]. – Одеса : ОНАХТ, 2012. – 19 с.
Ключові слова
приграничний ламінарний шар, поверхневий натяг, поверхнево-активні речовини, поверхневе число, інтенсифікація, приграничный ламинарный слой, поверхностное натяжение, поверхностно-активные вещества, поверхностное число, интенсификация, border laminar layer, surface-tension, surfase, superficial number, intensification