Спосіб інтенсифікації теплопередачі в системі холодоносій (вода) – стінка теплообмінника – молоко

Спосіб інтенсифікації теплопередачі в системі холодоносій (вода) - стінка теплообмінника - молоко шляхом теплообміну, який відрізняється тим, що до молока додають як поверхнево-активну речовину олію виноградних кісточок в кількості 0,1...0,15 % по масі, чим інтенсифікують коефіцієнт теплопередачі в 1,09... 1,1 разу. (19) (21) u200815169 (22) 29.12.2008 (24) 25.06.2009 (46) 25.06.2009, Бюл.№ 12, 2009 р. (72) КРАВЦІВ РОМАН ЙОСИПОВИЧ, БІЛОНОГА ЮРІЙ ЛЬВОВИЧ, МАКСИСЬКО ОКСАНА РОМАНІВНА, ЗАНІЧКОВСЬКА ЛЮБОВ ВОЛОДИМИРІВНА (73) ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВЕТЕРИНАРНОЇ МЕДИЦИНИ ТА БІОТЕХНОЛОГІЙ ІМЕНІ С.З. ГЖИЦЬКОГО 3 шорсткого циліндра [Богданова В.В. Универсальные уравнения теории пространственного пограничного слоя //Изв. АН СССР. Механика и машиностроение. - 1968. - №6. - с.32-42.], піддаванням вібраціям труб з зовнішнім оребренням [Дородницын А.А. Пограничный слой в сжимаемом газе //Прикладная математика и механика. - 1942. - Т.6. - №6. - С.449-486], дія псевдозрідженого стану на оребрені труби [Гребер Г., Эркс С, Григуль У. Основы учения о теплообмене. М.: ИЛ., 1958.]. У всіх цих відомих роботах домінуючим підходом були зміни геометрії поверхні. Недоліком всіх їх цих відомих способів є, як правило, збільшення загального гідравлічного опору системи, додаткових витрат на прокачування носіїв, їх перемішування, додаткові витрати на виготовлення різного роду турбулізаторів, необхідність створення додаткового обладнання для забезпечення роботи електромагнітних і акустичних полів і витрати на це обладнання. Найбільш близьким до запропонованого способу інтенсифікації теплопередачі в системі холодоносій (вода) - стінка теплообмінника - молоко за технологічною суттю є охолоджувачі молока [Справочник по механизации и автоматизации в животноводстве и птицеводстве. Под ред. к.т.н. А.С.Марченко, Киев, Урожай, 1990, с.298-303], в яких теплопередача відбувається в системі холодоносій (вода) - стінка теплообмінника -молоко шляхом теплообміну. Недоліком цього технічного рішення є відносно малий коефіцієнт теплопередачі за рахунок відносно великої товщини ламінарного шару. Запропонований спосіб дозволяє усунути вказані недоліки. Збільшення коефіцієнта теплопередачі дозволяє отримати зменшення енергозатрат на охолодження молока, а у зв'язку зі зменшенням енергозатрат - значну економічну вигоду. В основу винаходу поставлено завдання створити спосіб, при якому коефіцієнт теплопередачі збільшився би (наприклад за рахунок зменшення товщини ламінарного шару). Технічний результат досягається тим, що до молока додають в якості поверхнево-активної речовини олію виноградних кісточок в кількості 0,1...0,15 % по масі, чим інтенсифікують коефіцієнт теплопередачі в 1,09...1,1 рази. При проведенні патентно-інформаційного пошуку заявником знайдено технічне рішення [Справочник по механизации и автоматизации в животноводстве и птицеводстве. Под ред. к.т.н. А.С. Марченко, Киев, Урожай, 1990, с.298-303], яке містить найбільшу кількість суттєвих ознак, спільних із заявленим технічним рішенням: (спосіб теплопередачі в системі холодоносій (вода) - стінка теплообмінника - молоко шляхом теплообміну). Однак наявність зазначених спільних з прототипом ознак, недостатня для отримання технічного результату, який забезпечує заявлений спосіб. Технічних рішень, які б за сукупністю ознак співпадали із заявленим - не виявлено. Це дозволяє зробити висновок про відповідність заявленого технічного рішення критерію «новизна». У патентній і науково-технічній літературі не знайдено технічних рішень, в яких були б описані 42080 4 відомості про ознаки, що відрізняють заявлений спосіб від прототипу і забезпечують досягання технічного результату: до молока додають в якості поверхнево-активної речовини олію виноградних кісточок в кількості 0,1...0,15 % про масі, чим інтенсифікують коефіцієнт теплопередачі в 1,09...1,1 рази. Отже, заявлене рішення не випливає явним чином з рівня техніки, що дозволяє зробити висновок про відповідність його критерію «винахідницький рівень». Заявлений винахід відноситься до харчової промисловості, зокрема до молочної промисловості, а саме до проведення теплообмінних процесів і може бути використаний для розробки нових високоефективних енергозберігаючих технологій на переробних підприємствах різних формам власності. Тому відповідає критерію винаходу «промислова придатність». Таким чином, заявлене технічне рішення є новим, промислово придатним, має винахідницький рівень, тобто відповідає всім умовам патентоспроможності винаходу (корисної моделі) згідно статті 7 розділу II Закону України «Про охорону прав на винаходи і корисні моделі» №1771-III. Інтенсифікуючий вплив поверхнево-активних речовин - це зміна фізико-хімічних властивостей технологічного середовища, а саме зниження коефіцієнта поверхневого натягу рідини на межі стінка теплообмінника - робочий теплоносій, коефіцієнта динамічної в'язкості, а в загалом зменшення товщини ламінарного шару, а значить і його теплового опору. Товщина Л шару в пристінній області трубопроводу визначається за формулою [Кук Г.А. Процессы и аппараты молочной промышленности. М.: Пищевая промышленность, 1973, с.95]: 30d d= Re l , (1) де d - діаметр живого перерізу рідини, м; λ - коефіцієнт Дарсі (для турбулентної області 0,316 l= Re 0,25 рівності Блазіуса) [Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М: Энергия, 1977, с.81]. Однак, дана формула (1) не враховує зміну товщини Л-шару при зміні коефіцієнта поверхневого натягу рідини, який зменшується під впливом ПАР. Для обчислення товщини Л плівки запропонована формула, яка враховує коефіцієнти поверхневого натягу рідини, динамічної в'язкості і гідрофільність поверхні [Білонога Ю.Л., Максисько О.Р., Ціж Б.P., Варивода Ю.Ю. Підвищення коефіцієнта теплопередачі теплообмінної апаратури при використанні ПАР. //Науковий вісник Львівської державної академії ветеринарної медицини імені С.З. Ґжицького. - 2004. - Т.6 (№2). - 4.3. - с.126-131.]. d= d2 Re m 2s cos qr ll Kт , (2) 5 де σ - коефіцієнт поверхневого натягу на межі тверде тіло - рідина, Н/м; cosθ - косинус кута змочування, або гідрофільність поверхні стінки трубопроводу; d - діаметр живого перерізу потоку, м; l - довжина трубопроводу, м; ρ - густина рідини, кг/м3 ; Кт - коефіцієнт турбулізації Л плівки (шару) Re роб Kт = Re кр , Reкр=2320; Reроб - робоче значення критерію Рейнольда. Вплив термічного опору ламінарного шару на загальний коефіцієнт теплопередачі К, який обчислюється за класичною формулою (4) не видно, оскільки вона не фіксує зміни фізико-хімічних властивостей теплоносіїв під дією поверхневоактивних речовин. 1 Kl = 1 dст 1 + + a1 l ст a 2 , (4) де α1, α2 - коефіцієнти тепловіддачі від холодного і гарячого носія відповідно, Вт/м2 град; dст l ст - термічний опір стінки теплообмінника, Вт/м2град. В роботі [Білонога Ю.Л., Максисько О.Р., Ціж Б.Р., Варивода Ю.Ю. До питання розрахунку коефіцієнта теплопередачі теплообмінної апаратури. //Науковий вісник Львівської державної академії ветеринарної медицини імені С.З. Ґжицького. 2005. - Т.7 (№2). - Ч.6.- с.3-8.], запропонована формула, яка дозволяє визначити загальний коефіцієнт теплопередачі К теплообмінника через товщини ламінарних плівок і товщину роздільної стінки між теплоносіями: 1 Kd = dпл1 d ст dпл2 + + l пл1 l ст l пл2 , (5) dпл1 dпл2 , l l де пл1 пл2 , - термічні опори Л плівок холодного і гарячого теплоносія, відповідно, м2·град/Вт. Для нормалізованого кожухотрубного теплообмінника (D=800 мм, d= 25 мм, n=56, z=6, n=196, l=3 м, S=46 м2) було пораховано коефіцієнт теплопередачі К для двох випадків: при відсутності і додаванні поверхнево-активних речовин до теплоносіїв, зокрема до молока. Так, молоко, з початковою температурою tп1=20 ºC охолоджували до температури tк1=10 ºС. Охолодження здійснювали льодяною водою в якості холодоносія з tп2=5 ºС 42080 6 Охолодженню також піддавалось і молоко при тих самих умовах з додаванням до нього (0,1...0,15 % по масі) олії виноградних кісточок. За формулою (2) обчислимо товщину Л шару для води: d= d2 Re m ( ) 2 21 × 10 -3 2 × 7,42 × 10 - 2 × 0,866 × 1000 2s cos qr 1400,00 × 15 × 10 - 3 , 2,90 × 10 - 2 × 3 ll = 1,34 × 10 - 4 м = 1400,00 Kт 2320 l= 0,316 Re = 0,25 0,316 14000,000,25 = 2,90 × 10 - 2 . Товщина Л шару для молока: d= d2 Re m ( ) 2 21 × 10 -3 2 × 5,26 × 10 - 2 × 0,91 × 1030 2s cos qr 13200 × 1,636 × 10 -3 2,96 × 10 - 2 × 3 ll = 1,19 × 10 - 4 м = 13200 Kт 2320 0,316 0,316 = 2,96 × 10 - 2 Re 132000,25 . За формулою (5) загальний коефіцієнт теплопередачі рівний: l= Kd = = 0,25 1 1 = = 1704,64 Вт 2 dпл1 dст dпл2 м ×К 1,34 × 10 - 4 2 × 10 - 3 1,19 × 10 - 4 + + + + l пл1 l ст l пл2 17,5 6 × 10 -1 4,767 × 10 -1 , де δст - товщина стінки теплообмінника, м; λст - коефіцієнт теплопровідності нержавіючої сталі, Вт/м·К; λпл1, λ пл2 - коефіцієнт теплопровідності води та молока відповідно, Вт/м·К; λст=17,5 Вт/м·К; [Основные процессы и аппараты химической технологии (Пособие по проектированию) Под ред. Ю.И. Дытнерского, М.: «Химия», 1991. - С.70.] d ст 2 × 10 -3 = = 1,14 × 10 - 4 м 2 × К Вт l ст 17,5 ; Обчислимо товщину Л шару молока з додаванням до нього 0,1...0,15 % по масі олії виноградних кісточок. d= d2 Re m ( ) 2 21 × 10 -3 2 × 5,02 × 10 - 2 × 0,876 × 1030 2s cos qr 16800 × 1,287 × 10 - 3 2,77 × 10 - 2 × 3 ll = = 9,28 × 10 - 5 м 16800 Kт 2320 0,316 0,316 = = 2,77 × 10 - 2 Re0,25 168000,25 Загальний коефіцієнт теплопередачі для молока з додаванням олії виноградних кісточок рівний: l= Kd = 1 1 = = 1880,85 Вт 2 dпл1 dст dпл2 м ×К 1,34 × 10 - 4 2 × 10 - 3 9,28 × 10 - 5 + + + + -1 -1 l пл1 l ст l пл2 17,5 6 × 10 4,767 × 10 Результати розрахунку зводимо в таблицю 1. 7 42080 8 Таблиця 1 Зміна теплофізичних параметрів теплоносіїв (молока) під впливом поверхнево-активних речовин μ, Па-с σ, Н/м Re δпл, м 1,636 10 5,26 10-2 13200 1,19 10-4 1,5 10 7,42 10-2 14000,0 1,34-10-4 Молоко + (0,1…0,15 %по масі олії виноградних кісточок. 1,287 10-3 5,02 10-2 16800 9,28-10-5 dпл1 м 2 × К , Вт l пл1 2,49 10-4 2,23 10-4 1,95 10-4 Параметри Молоко Вода -3 Вт -3 1704,64 2 К, м × К Додатковим позитивним ефектом винаходу є те, що основним джерелом фосфатидів для харчової промисловості є рідкі рослинні олії: соєва, соняшникова, лляна, арахісова. Медико-біологічні дослідження показали, що харчові рослинні фосфатиди мають високу біологічну активність, яка проявляється у нормалізації ліпідного обмінну, функціонального стану печінки, підвищенні антиоксидантних функцій організму [Булгаков А.С. Пи Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Вода 1,5 10-3 7,42 10-2 14000,0 1,34 10-4 2,23 10-4 1880,85 щевые добавки: Справочник.- СПб. Vt, 1996. 350с.]. Під впливом олії виноградних кісточок коефіцієнт поверхневого натягу молока зменшується в 1,05 рази, в'язкість молока зменшується в 1,27 рази. А це приводить до того, що товщина Л плівки зменшується в 1,28 рази, тепловий опір - в 1,27 рази, а загальний коефіцієнт теплопередачі збільшується на 10,33 %. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601