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 нерафіновану соняшникову олію в кількості 0,30...0,55 % по масі, чим інтенсифікують коефіцієнт теплопередачі на 9 %. (19) (21) u201105661 (22) 04.05.2011 (24) 12.12.2011 (46) 12.12.2011, Бюл.№ 23, 2011 р. (72) БІЛОНОГА ЮРІЙ ЛЬВОВИЧ, МАКСИСЬКО ОКСАНА РОМАНІВНА, ДРАЧУК УЛЯНА РОМАНІВНА, ЗАНІЧКОВСЬКА ЛЮБОВ ВОЛОДИМИРІВНА (73) ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ВЕТЕРИНАРНОЇ МЕДИЦИНИ ТА БІОТЕХНОЛОГІЙ ІМЕНІ С.З. ГЖИЦЬКОГО 3 редачі дозволяє отримати зменшення енергозатрат на охолодження молока, а у зв'язку зі зменшенням енергозатрат - значну економічну вигоду. В основу корисної моделі поставлено задачу створити спосіб, при якому коефіцієнт теплопередачі збільшився би (наприклад, за рахунок зменшення середньої товщини ламінарного шару). Технічний результат досягається тим, що до молока додають як поверхнево-активну речовину нерафіновану соняшникову олію, в кількості 0,30...0,55 % по масі чим інтенсифікують коефіцієнт теплопередачі на 9 %. 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. Загальний тепловий опір рівний:    R    ст  пл , (1)   ст  пл де ст , пл - товщина стінки теплообмінної апаратури і товщина ламінарного шару, м;  ст , пл - коефіцієнт теплопровідності стінки і ламінарного шару, Вт/м·К. Однак при розрахунку теплообмінної апаратури тепловий опір цих ламінарних шарів не враховується [Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1995. - 768 С]. В роботі [Білонога Ю.Л., Максисько О.Р., Ціж Б.Р. Особливості розрахунку теплообмінної апаратури з врахуванням теплового опору приграничного шару. // Науковий вісник Львівської державної академії ветеринарної медицини імені С.З. Ґжицького. - 2002. - Т. 4 (№2). - Ч. 5. - с. 22-29] було розраховано кожухотрубний теплообмінник з врахуванням теплового опору, що виникає на границі рідина-стінка теплообмінника, в ламінарному приграничному шарі. Показано, що 84 % теплового опору системи припадає на тепловий опір ламінарного шару і величина цього опору залежить від його товщини. Тому для збільшення коефіцієнту теплопередачі доцільно домагатись максимального зменшення цього опору, а значить мінімізувати середню товщину приграничного ламінарного шару. Відомо, що середню товщину  ламінарного шару в турбулентному потоці рідини в пристінних областях трубопроводу можна визначити за формулою [Чугаев Р.Р. Гидравлика (техническая механика жидкости). - Ленинград: Энергоиздат, 1982. - 672 С.]: 30d ,  (2) Re  де d - діаметр живого перерізу рідини, м;  - коефіцієнт Дарсі (для турбулентної області 0,316 з рівності Блазіуса).  Re 0,25 Однак, дана формула не враховує фізичних характеристик рідкого середовища, що відповіда 65510 4 ють за взаємодію поверхонь двох фаз тверде тілорідина, а враховує тільки ті фізичні характеристики потоку рідини, які входять в число Рейнольдса (динамічний коефіцієнт в'язкості  і густину ). Оскільки теплообмінні процеси в харчових та переробних виробництвах протікають в апаратурі на межі розділу двох фаз (рідина-стінка трубопроводу), то виникає потужне поле сил поверхневого натягу, яке змінює потік рідини з утворенням ламінарного шару, а тому рух рідин в трубопроводах чи теплообмінних апаратах необхідно розглядати з врахуванням дії цих сил [Білонога Ю.Л. Про доцільність розгляду гідромеханічних процесів з врахуванням сил поверхневого натягу на границі контакту тверде тіло-рідина // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2006. - № 2. - С. 64]. Формулу для обчислення середньої товщини цього ламінарного шару, яка б враховувала коефіцієнт поверхневого натягу рідкофазного теплоносія та гідрофільність поверхні стінки представлена в роботі [Ю.Л. Білонога, О.Р. Максисько, Б.Р. Ціж. Підвищення коефіцієнта теплопередачі теплообмінної апаратури при використанні ПАР // Науковий вісник Львівської державної академії ветеринарної медицини імені С.З. Гжицького. - 2004. - Т. 6, №2. - Ч. 3. - С. 126-131]: 2 cos  (3) d2 l ,  Re  KT де d - діаметр живого перерізу потоку, м;  - коефіцієнт поверхневого натягу на межі тверде тіло-рідина, Н/м; Cos  - косинус кута змочування або гідрофільність поверхні стінки трубопроводу; 3  - густина рідини, кг/м ; l - довжина трубопроводу, м; KT - коефіцієнт турбулізації ламінарного шару, який становить: Re роб , KT  (4) Re кр де Reкp=2320 - критичне значення критерію Рейнольдса; Reроб - робоче значення критерію Рейнольда. З формули (3) видно, що товщину приграничного ламінарного шару можна зменшити, якщо зменшити коефіцієнт поверхневого натягу на границі розділу тверде тіло-рідина, який суттєво зменшується під впливом ПАР [Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение / А.А. Абрамзон. - Л.: Химия, 1975. 246 С.]. Покажемо як змінюється коефіцієнт теплопередачі нормалізованого кожухотрубного теплообмінника (діаметр кожуха D=800 мм, діаметр труби d=25×2 мм, число ходів z=6, загальна кількість -2 2 труб n=384, довжина труби L=6 м, Sмтр=7,0·10 м площа перерізу потоку в міжтрубному просторі, маса теплообмінника М=680 кг), який застосовується для охолодження молока при додаванні до молока оптимальної концентрації нерафінованої соняшникової олії. Молоко температурою t1м=35 °С і витратою Gм=15 кг/с охолоджувалось до температури 5 65510 t2M=13°С. Охолодження здійснюється ''льодяною'' водою з початковою температурою t1в=5 °С. Кінцева температура води t2в=11 °С. В трубний простір направляли гарячий носій (молоко), в міжтрубний воду. Розрахунок і вибір теплообмінника здійснювався за класичною схемою [Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии / Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, 1995. - 768 С]. Однак, з класичного розрахунку можна бачити, що зменшення коефіцієнта поверхневого натягу теплоносія під впливом ПАР ніяк не відображене в рівності (5) для визначення загального коефіцієнта теплопередачі, ні в критеріальних рівняннях для визначення критерію Нуссельта, а відповідно і коефіцієнтів тепловіддачі 1, 2 1 , K  1 ст 1 (5)   1  ст  2 де 1, 2 - коефіцієнти тепловіддачі від холод2 ного і гарячого носія відповідно, Вт/м ·град;  ст - термічний опір стінки теплообмінника,  ст 2 Вт/м ·град. В роботі [Ю.Л. Білонога, О.Р. Максисько, Б.Р. Ціж. 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] нами запропоновано при розрахунку теплообмінної апаратури, в якій задіяні теплоносії з додаванням ПАР, користуватися рівністю (6): 1 , К  пл1  ст пл 2 (6)    пл1  ст  пл 2 21 10  3 2 6  пл1 пл 2 , - термічні опори ламінарного  пл1  пл 2 шару холодного і гарячого теплоносія відповідно, 2 Вт/м ·град. Число Рейнольдса для молока в трубному просторі: 4Gм , Re м  (7) dз n / z  м де Gм - витрата молока, кг/с; dз - зовнішній діаметр труби, м; n - число труб , що приходить на один хід; z м - динамічний коефіцієнт в'язкості молока, Па·с. 4  15 Reм   9113 . 3,14  21 103  384 / 6  156  103 , Число Рейнольдса для води в міжтрубному просторі: Gвdз , Re в  (8) Sмтрв де Gм - витрата холодної води, кг/с; 2 dз - зовнішній діаметр труби, м ; Sмтp - площа перерізу потоку в міжтрубному 2 просторі, м ; -2 2 Sмтр=7·10 м [Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии / Ю.И. Дытнерский. - М.: Химия, 1995. - 768 С.]; м - динамічний коефіцієнт в'язкості води, Па·с. де Re в  5149  25  103 ,  14037 . 7,0  10 2  131 10 3 , Середня товщина ламінарного шару молока в трубному просторі: 2  52,59  10 3  0,919  1027,3 3,23  10 2  6  1,78  10  4 м . 9113 2320 Середня товщина ламінарного шару води в міжтрубному просторі: м  9113  1,56  10 3,85  10  3 2 2 2  74,22  10 2  0,866  1000 2,946  10 2  6  3,62  10  4 м . 14037 2320 Коефіцієнт теплопередачі рівний: 1 Вт K   915 4 3 4 1,78  10 2  10 3,62  10 м2  K   2 2 17,5 5116  10 , 57,5  10  14037  1,31 10 3 Оптимальну концентрацію нерафінованої соняшникової олії до молока визначали з графіку (креслення) залежності коефіцієнта поверхневого натягу і динамічного коефіцієнта в'язкості молока від їх концентрацій. На кресленні наведено результати експериментів при додаванні нерафінованої соняшникової олії в кількості процентів по масі (0,00...0,65) до молока. Покажемо, як змінився коефіцієнт теплопередачі цього ж теплообмінника при додаванні 0,30...0,55 мас. % нерафінованої соняшникової олії. Число Рейнольдса для молока в трубному просторі за формулою (8): 7 65510 8 4Gм 4  15   11021. 3 dз n / z м 3,14  21 10  3,84 / 6  129  10 3 , Число Рейнольдса для води в міжтрубному просторі: Ree=14037. Середня товщина ламінарного шару молока в трубному просторі: Re м  21 10  3 2 2  39,2  10 3  0,951 1027,3 3,08  10 2  6  1,32  10  4 м . 10610 2320 -4 Середня товщина ламінарного шару води в міжтрубному просторі =3,62·10 м. Коефіцієнт теплопередачі рівний: 1 Вт . K   998 4 3 4 1,32  10 2  10 3,62  10 м2  К   17,5 5116  10  2 , 57,5  10  2 м  10610  1,29  10 3 Загальний коефіцієнт теплопередачі кожухотрубного теплообмінника зріс на 998  915  100%  9,0 % . 915 Результати розрахунку зводимо в таблицю. Таблиця Зміна теплофізичних параметрів теплоносіїв під впливом ПАР Параметри 8, Пас , Н/м cos  Re пл, м  пл1 м  K ,  пл1 Вт К, Вт м 2K Вода Молоко -3 1,56·10 -3 52,6·10 0,919 9113 -4 1,7810 -3 -4 3,48·10 1,31·10 -3 74,22·10 0,866 14037 -4 3,62·10 6,29·10 -4 915 Як видно з таблиці, при введенні оптимальної концентрації нерафінованої соняшникової олії коефіцієнти поверхневого натягу молока зменшуються, а це мінімізує товщину приграничного ламінарного шару у системі стінка трубопроводутеплоносій, а зі зменшенням товщини приграничного ламінарного шару швидкість в ньому зростає. Термічний опір ламінарного шару молока зменшується у 1,35 разу при додаванні нерафінованої соняшникової олії. Мінімізація теплового опору це підвищення загального коефіцієнта теплопередачі теплообмінника на 9,0 %. Збільшення загального коефіцієнта теплопередачі кожухотрубного теплообмінника під впливом поверхнево-активних речовин фіксували також експериментально на стенді гідромеханічних процесів, де знаходиться макет кожухотрубного теплообмінника в лабораторії процесів та апаратів Львівського національного університету ветерина Вода -3 1,31·104 -3 74,22·10 0,866 14037 -4 3,6210 6,29·10 Молоко + (0,30…0,55) мас. % нерафінованої соняшникової олії -3 1,29·10 -3 39,2·10 0,951 11021 -4 1,3210 -4 2,58·10 -4 998 (9,0 %) рної медицини та біотехнологій імені С.З. Ґжицького. Додатковим позитивним ефектом є те, що рослинні олії є джерелом поліненасичених жирних кислот, які не синтезуються в організмі людини. Ці кислоти є вихідними матеріалами для побудови клітинних мембран, приймають активну участь в обмінних процесах в організмі, у нормалізації ліпідного обміну, функціонального стану печінки, підвищенні антиоксидантних функцій організму [Кулакова С.Н. О растительных маслах нового поколения в нашем питании / С.Н. Кулакова, М.М. Гаппаров, Е.В. Викторова // Масложировая промышленность. - 2005. - №1. - С. 4-8]. Тобто малі добавки нерафінованої соняшникової олії до молока роблять позитивний внесок як в процес теплообміну молока, так і надають молоку оздоровчопрофілактичних властивостей. 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 65510 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601