9 - ДГТУ

На правах рукописи
ЛУГИНИН
Михаил Игоревич
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУЙНОГО
КРИОКОНЦЕНТРАТОРА ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ
Специальность
05.04.03 - машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной
техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Махачкала - 2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования “Кубанский государственный технологический университет”.
Научный руководитель
кандидат технических наук, доцент Беззаботов Юрий Сергеевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ
Ильин Альберт Константинович заведующий кафедрой теплоэнергетики
ГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»;
кандидат технических наук, доцент Ахмедов Магомед Эминович, доцент кафедры технологии и машин ГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет».
Ведущая организация Научно-промышленная ассоциация производителей
холодильного оборудования «Холодпром».
Защита диссертации состоится « 27 » декабря 2008 г. в 1400 часов на
заседании диссертационного совета К 212.052.01 в ГОУ ВПО «Дагестанский
государственный технический университет» по адресу: 367000, Махачкала,
пр. Имама Шамиля, 70, ауд. 202.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дагестанского государственного технического университета.
Автореферат разослан «
» ноября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.т.н.
Евдулов О. В.
3
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Концентрирование жидких продуктов играет
существенную роль в пищевой промышленности, агропромышленном комплексе и других отраслях. Удаление части воды уменьшает объем продуктов,
что существенно для хранения и транспортировки, замедления жизнедеятельности микроорганизмов и нежелательных биохимических реакций, приводящих к снижению качества продуктов.
Исследования использующихся в отечественной и зарубежной практике способов и устройств концентрирования жидких продуктов показали, что
криоконцентрирование является одним из эффективных технологических
процессов, основное преимущество которого - низкотемпературная обработка, обеспечивающая наиболее полное сохранение исходных свойств продуктов (витаминов, минеральных веществ), в том числе в ароматосодержащих и
термолабильных жидкостях. В консервной промышленности такой способ
используют при получении концентрированных соков высокого качества. В
винодельческой промышленности криоконцентрирование используют для
приготовления высококачественных марочных вин. Криоконцентрирование
повышает содержание алкоголя в вине с улучшением вкусовых качеств последнего. Используя обработку холодом для виноградных соков и вин,
предотвращают процесс образования кристаллических помутнений при хранении.
Применяя комбинированное обезвоживание жидких пищевых продуктов криоконцентрированием и сублимацией можно существенно сократить
общие затраты на производство быстрорастворимых порошкообразных продуктов (в 2-2,5 раза) и одновременно повысить качество.
В применяемых технологиях процесс теплообмена при криоконцентрировании протекает через теплообменную поверхность, что влияет на уровень
энергозатрат и продолжительность обработки продуктов, учитывая необходимость периодической очистки теплообменной поверхности от вымороженного льда.
В связи с этим разработка эффективной технологии и оборудования
для криоконцентрирования жидких продуктов является актуальной задачей,
решение которой позволит сократить общие затраты на производство и повысить качество готового продукта.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и исследование струйного криоконцентратора жидких продуктов непрерывного действия при поточно-контактном взаимодействии холодильного агента и продукта.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-построение физической и математической моделей процесса криоконцентрации при поточно-контактном взаимодействии холодильного агента и продукта;
-проведение теоретических исследований процесса криоконцентрации в
струйном криоконцентраторе жидких продуктов;
4
-экспериментальное определение размеров гранул твердой двуокиси углерода на выходе из сужающегося сопла струйного аппарата;
-проведение численных экспериментов по исследованию процесса криоконцентрации и анализ их результатов;
-проведение экспериментальных исследований струйного криоконцентраторатора и проверка адекватности математической модели;
-оценка энергетической и технологической эффективности разработанного
струйного криоконцентратора;
-технико-технологическая оценка выбора эффективного рабочего вещества для
использования в струйном криоконцентраторе;
-разработка конструкции и инженерной методики расчета струйного криоконцентратора жидких продуктов для промышленной установки.
Научная новизна.
1. На основании проведенных теоретических исследований процесса криоконцентрации для струйного аппарата разработана математическая модель
процесса криоконцентрирования в струйном криоконцентраторе, отражающая особенности процесса, связанного с тепломассообменом в двухкомпонентном, трехфазном высокоскоростном потоке при наличии фазовых переходов рабочих компонентов.
2. Экспериментально установлен размер гранул твердой двуокиси углерода, образующихся при истечении из сужающегося сопла струйного аппарата с диаметром выходной части сопла от 0,5 до 1 мм и давлении жидкой двуокиси углерода на входе в аппарат 64,3 бар.
3. Теоретически и экспериментально исследован процесс тепломассообмена
при поточно-контактном взаимодействии двуокиси углерода в газообразной
и твердой фазах с каплями обрабатываемого продукта в струйном эжекционном аппарате.
4. Разработана конструкция струйного криоконцентратора жидких продуктов,
обеспечивающая обработку продукта в непрерывном потоке.
5. Разработана программа расчета режимных характеристик струйного криоконнцентратора жидких продуктов на языке Turbo Pascal, защищенная свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ №
2008611387.
Новизна технологических и технических решений подтверждена патентами Российской Федерации: № 48708 «Линия для концентрирования
жидких пищевых продуктов», № 2294644 «Способ концентрирования жидких пищевых продуктов в непрерывном потоке», № 56505 «Эжектор».
Практическая значимость работы. Разработанные технологии и струйный криоконцентратор жидких продуктов, использующий в качестве рабочего
вещества двуокись углерода, предназначены для использования на предприятиях перерабатывающей промышленности, занимающихся производством фруктовых соков и высококачественных марочных вин. Струйный криоконцентратор, использующий в качестве рабочего вещества фреоны, применим в химической, фармацевтической, нефтегазовой и других отраслях промышленности
для концентрации жидких продуктов. Эффективность технологии криоконцен-
5
трирования повышается за счет увеличения показателей качества обработанного продукта, а также за счет снижения приведенных затрат на обработку.
Внедрение результатов работы. Разработанная инженерная методика
расчета и проектирования струйной криоконцентраторной установки (СКУ)
принята Краснодарским научно-исследовательским институтом хранения и
переработки сельскохозяйственной продукции Российской академии сельскохозяйственных наук для использования в проектах холодильных систем
на перерабатывающих предприятиях агропромышленного комплекса Краснодарского края. Материалы диссертационной работы в части математической модели внедрены в учебный процесс на кафедре холодильных и компрессорных машин и установок ГОУ ВПО «Кубанский государственный
технологический университет» и используются при чтении курсов «САПР
низкотемпературных систем», «Математические методы моделирования физических процессов в криогенной технике» по специальности 140504 – «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- математическая модель процесса криоконцентрации жидких продуктов в
струйном эжекционном аппарате, отражающая особенности процесса, связанные с тепломассообменом в трехфазном двухкомпонентном высокоскоростном потоке при наличии фазовых переходов рабочих компонентов;
- зависимости, определяющие режимные характеристики работы струйного
криоконцентратора и оптимальную длину камеры смешения в пределах изменения расхода продукта Gn от 0,5 до 1,5 кг/мин, расхода рабочего вещества
Gr от 0 до 3 кг/мин, температуры продукта tn от 10 до 30 °С :
для количества вымороженной влаги W, кг/кг
W= а1 – а2 ∙ tn – а3 ∙ Gn + а4 ∙ tn2 + а5 ∙ tn ∙ Gn + а6 ∙ Gn2 ;
при Gr = 0,5 кг/мин;
для оптимальной длины камеры смешения Loпт , мм
Loпт = b1 – b2 ∙ tn – b3 ∙ Gn – b4 ∙ tn2 + b5 ∙ tn ∙ Gn – b6 ∙ Gn2 ;
при Gr = 0,5 кг/мин;
для расхода рабочего вещества Gr , кг/мин
Gr= c1 + c2 ∙ W + c3 ∙ Gn – c4 ∙ W2 + c5 ∙ W ∙ Gn + c6 ∙ Gn2 ;
при tn = 20 °С;
- коэффициент расхода  при истечении жидкой углекислоты в сужающемся
сопле с диаметром выходного сечения 0,5; 0,75; 1 мм соответственно составляет 0,42; 0,38; 0,32 при давлении жидкой двуокиси углерода перед соплом
64,3 бар;
- среднестатистический размер гранул твердой фазы при истечении жидкой
двуокиси углерода из сужающегося сопла составляет 85 мкм при диаметре
выходного сечения от 0,5 до 1 мм при давлении жидкой двуокиси углерода
перед соплом 64,3 бар;
- разработанная конструкция струйного криоконцентратора жидких продуктов, способ концентрирования жидких пищевых продуктов в непрерывном
потоке и технологическая линия для концентрирования жидких пищевых
продуктов.
6
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на
международной научно-технической конференции «Современные проблемы
холодильной техники и технологии» (г.Одесса, 2005г.), региональной научно
- практической конференции аспирантов, соискателей и докторантов
(г.Майкоп, 2007г.), XI Всероссийской научно-практической конференции
«Агропромышленный комплекс и актуальные проблемы экономики регионов» (г.Майкоп, 2008г.), международной научно-практической конференции
«Инновационные технологии в области холодильного хранения и переработки пищевых продуктов» (г.Краснодар, 2008г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 1 патент Российской Федерации на изобретение, 2 патента Российской
Федерации на полезную модель, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 6 статей и 3 тезиса докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и 7 приложений. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 60
рисунков, 12 таблиц. Список использованной литературы включает 129 наименований.
2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований.
В первой главе проведен обзор применяемых в промышленности наиболее технологически эффективных способов и установок концентрирования
жидких продуктов. Проанализированы способы и конструкции концентраторных установок. Рассмотрены основные принципы концентрирования вымораживанием.
На основании анализа научных и технических источников информации
обоснован объект и направление исследований, определены методы решения
поставленных задач.
Во второй главе рассмотрены теоретические положения, отраженные
в работах Соу С., Стернина Л.Е., Бродянского В.М., Шляховецкого В.М. и
других авторов, в которых исследовались процессы энергообмена в двухфазных высокоскоростных потоках при поточно-контактном взаимодействии.
Разработаны физическая и математическая модели процесса криоконцентрирования в струйном криоконцентраторе, описана методика численного
решения математической модели, проведены численные эксперименты на
ЭВМ и дан анализ их результатов.
Физическая модель процесса криоконцентрирования при непрерывном
поточно-контактном взаимодействии холодильного агента и жидкого продукта представлена схемой процессов, протекающих в струйном криоконцентраторе (рис.1).
7
2
4
6
5
Gr
Gсм
1
Gп
Gr
Тr.н
Рr.н
ωr.н
Gr
Тr.к
Рr.к
ωr.к
Tr
3
Gп
Тп
Рп
ωп
Gсм
Тсм.н
Рсм.н
ωcм.н
Gсм
Тсм.к
Рсм.к
ωcм.к
Gсм
Тсм.d
Рсм.d
ωcм.d
Tп
T
Tr
P
Тсм.d
Pr.н
Рсм.d
ωcм.d

ωr.н
Рис. 1. Схема процессов, протекающих в струйном криоконцентраторе
Рабочие процессы, протекающие в струйном аппарате, сводятся к следующему: поступающая под избыточным давлением через входной патрубок
1 жидкая двуокись углерода подается в сопло 2. При истечении из сужающегося сопла 2 образуется поток, состоящий из паровой и твердой фазы углекислоты. Обрабатываемый жидкий продукт через входной патрубок 3 подается в приемную камеру 4, из которой эжектируется высокоскоростным
двухфазным потоком двуокиси углерода и дробится на капли, размер которых определяется скоростью истечения двуокиси углерода из сопла и рассчитывается по критическому значению критерия Вебера:
 rg  rn   2
WK 
 5,35 ,
 жn
(1)
где  rg - плотность газовой фазы рабочего вещества после дросселирования,
кг/м3;
rn - начальный радиус капель продукта, м;
ω - скорость газа, м/с;
 жn - коэффициент поверхностного натяжения жидкого продукта, Н/м.
В камере смешения 5 в результате энергообмена твердой и парообразной фаз диоксида углерода с каплями продукта происходит вымораживание
8
влаги из капель с образованием кристаллов водного льда за счет холодильного потенциала гранул твердой фазы и потока паровой фазы двуокиси углерода. В выходном сечении камеры смешения 5 формируется трехфазный двухкомпонентный поток смеси с равновесными параметрами Тсм.к , Рсм.к , ωсм.к . В
диффузоре 6 происходит поджатие газовой составляющей смеси до давления
Рсм.d c понижением скорости потока смеси до ωcм.d .
При разработке математической модели процессов в струйном криоконцентраторе приняты допущения, применяемые в исследованиях высокоскоростных многокомпонентных потоков.
Процессы энергообмена описываются известными уравнениями, дополненными с учетом особенностей, связанных с течением трехфазного
двухкомпонентного потока при наличии фазовых переходов и теплоты фазового превращения:
1. Уравнение движения капель продукта
n
где
d n
 1n   n  ,
dx
(2)
n - скорость капель продукта, м/с;
1n - коэффициент, равный
1n 
9

fD
2
2
rn  n
,
f D - функция сопротивления, равная f D 
Re 
  r 2rn

cD Re
,
24
- число Рейнольдса,
cD - коэффициент сопротивления сферы;
- кинематическая вязкость газа рабочего вещества, м2/с;
ρп – плотность капель продукта кг/м3.
2. Уравнение сохранения количества движения

d   r r dr   nn dn  dp  0
(3)
3. Уравнение сохранения массы
G  Gr  Gn  Gсм  const
(4)
4. Уравнения Клапейрона-Менделеева для газа
p  RT  G
RT
,
Fkc
(5)
где Fkc - площадь сечения камеры смешения, м2.
5. Уравнение движения частиц гранул рабочего вещества
r
где
dr
 1r   r  ,
dx
(6)
r - скорость частиц гранул, м/с;
1r 
9

fD
2
rr2  r
;
f D - функция сопротивления, равная f D 
Re 
  r 2rr - число Рейнольдса.

cD Re
,
24
9
6. Уравнение сохранения энергии
2
2

2 




  Gr   cr  Tr  rfr  r   Gn   cn T n rfn  n   const .
E  G   c T 





2 
2 
2 



(7)
7. Уравнение теплообмена частиц продукта
n
где
dhn
  2 n T  Tn  ,
dx
(8)
hn  cnTn  rfn - энтальпия частицы продукта, Дж/кг;
2n 
Nun1n c p
3 Pr f D
;
Nun  2  0,459 Re 0n,55 Pr 0,33 - критерий Нуссельта;
  n d n - критерий Рейнольдса;
Re n 

r fn - теплота фазового перехода (кристаллизации) продукта, Дж/кг;
dn - диаметр капель продукта, м, определяется по критерию Вебера.
8. Уравнение теплообмена частиц рабочего вещества
dh
(9)
r r   2 r T  Tr  ,
dx
где
hr  crTr  rfr - энтальпия частицы рабочего вещества, Дж/кг;
2r 
Nur1r c p
3 Pr f D
;
Nur  2  0,459 Re 0r ,55 Pr 0,33 - критерий Нуссельта;
Pr 
cp

Re r 
- критерий Прандтля;
  r d r

- критерий Рейнольдса;
r fr - теплота фазового перехода рабочего вещества, Дж/кг.
dr - диаметр гранул рабочего вещества определялся
экспериментально, м.
Решение уравнений математической модели осуществлялось численным методом конечных разностей, что позволило уравнения (2),(6),(8),(9)
преобразовать к виду:
dn 
dx1n   n 
, n'  n  dn ,
n
dx1r   r 
dr 
, r'  r  dr ,
r
dx 2 n T  Tn 
dhn 
, hn'  hn  dhn ,
n
dx 2 r T  Tr 
dhr 
, hr'  hr  dhr .
r
(10)
(11)
(12)
(13)
Для решения системы уравнений (1),(3)-(5),(7) и (10)-(13) составлен алгоритм и программа для ЭВМ на алгоритмическом языке Turbo Pascal 6.0.
Произведены численные эксперименты по моделированию процессов тепло-
10
0,2
0,2
0,18
0,18
0,16
0,16
0,14
0,14
0,12
0,12
W, кг/кг
W, кг/кг
массообмена, происходящие в камере смешения струйного криоконцентратора.
В качестве исходных данных были приняты следующие:
- яблочный сок с начальной концентрацией сухих веществ (С=10 %);
- расход яблочного сока (продукта) Gп , кг/мин;
- вид рабочего вещества – жидкая углекислота;
- температура окружающей среды tо.с= 25 С;
- барометрическое давление наружного воздуха Ps = 101325 Па;
- начальный диаметр гранул рабочего вещества dr = 85 мкм;
- расход рабочего вещества Gr , кг/мин;
- начальное давление рабочего вещества перед соплом Pr.н =64,3бар (абс.);
- начальная температура рабочего вещества перед соплом tr.н= 25 С.
На рис. 2-4 показано влияние расхода и начальной температуры продукта на относительное количество вымороженной влаги для разной длины
камеры смешения: 200, 300, 400 мм. Расход рабочего вещества 0,5 кг/мин.
0,1
tn=10С
0,08
0,1
tn=15С
0,08
0,06
0,06
0,04
0,04
tn=15С
0,02
tn=10С
tn=20С
0,02
tn=25С
0
0
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
0,5
1,5
C
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Gn, кг/мин.
Gn, кг/мин.
Рис. 2. Зависимость вымороженной влаги от расхода
продукта при длине камеры смешения L = 200 мм и расходе
рабочего вещества 0,5 кг/мин
Рис.3. Зависимость вымороженной влаги от расхода
продукта при длине камеры смешения L = 300 мм и расходе
рабочего вещества 0,5 кг/мин
0,2
0,45
0,18
0,4
0,16
0,35
0,14
tn=10С
0,3
tn=15С
W,кг/кг
W, кг/кг
0,12
0,1
tn=20С
0,08
0,25
0,2
tn=10С
0,15
0,06
tn=25С
0,04
0,1
tn=30С
tn=30С
0,02
tn=15С
0,05
tn=25С
tn=20С
0
0
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Gn, кг/мин.
Рис. 4. Зависимость вымороженной влаги от расхода
продукта при длине камеры смешения L = 400 мм и расходе
рабочего вещества 0,5 кг/мин
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Gn, кг/мин
Рис. 5. Зависимость количества вымороженной влаги
от расхода продукта при оптимальной длине камеры смешения
и при расходе рабочего вещества 0,5 кг/мин
Анализ графиков представленных на рис. 2-4 показал, что понижение
температуры и расхода продукта на входе в струйный криоконцентратор
увеличивает количество вымороженной влаги на выходе из криоконцентратора, а оптимально подобранная длина позволяет провести процесс полного
11
tn ,С
(х)
(z)
Loпт , мм
W, кг/кг
(z)
тепломассобмена между холодильным агентом и продуктом т.е. полностью
использовать холодильный потенциал.
Математическая обработка результатов компьютерного эксперимента с
помощью программы анализа статистических данных STATISTICA дала возможность получить комплексные графические зависимости в виде трехмерных поверхностей количества вымороженной влаги, оптимальной длины камеры смешения и расхода рабочего вещества (рис. 6-8), которые аппроксимируются в пределах изменения расхода продукта Gп от 0,5 до 1,5 кг/мин,
расхода рабочего вещества Gr от 0 до 3 кг/мин, температуры продукта от 10
до 30С уравнениями:
W= а1 – а2 ∙ tn – а3 ∙ Gn + а4 ∙ tn2 + а5 ∙ tn ∙ Gn + а6 ∙ Gn2 ; при Gr = 0,5 кг/мин;
где а1, а2, а3, а4, а5, а6 – расчетные коэффициенты, при этом
а1 =1,071 кг/кг; а2 = 0,022 кг/(кгС); а3 =1,102 мин/кг2; а4 =1,167 ∙ 10-4
кг/(кгС2); а5 = 0,009 мин/(кгС); а6 = 0,337 мин2/кг2.
Loпт = b1 – b2 ∙ tn – b3 ∙ Gn – b4 ∙ tn2 + b5 ∙ tn ∙ Gn – b6 ∙ Gn2 ; при Gr = 0,5 кг/мин;
где b1, b2, b3, b4,b5, b6 – расчетные коэффициенты, при этом
b1=1246,11 м; b2=17,417 м/С; b3= 638,333 (м∙мин)/кг; b4= 0,017 м/С2 ;
b5 = 8,75 (м∙мин)/ (С∙кг); b6 = 6,667 (м∙мин2)/кг2.
Gr= c1 + c2 ∙W + c3 ∙ Gn – c4 ∙ W2 + c5 ∙ W ∙ Gn + c6 ∙ Gn2 ; при tn = 20 °С;
где c1, c2, c3, c4, c5, c6 – расчетные коэффициенты, при этом
c1 = 0,015 кг/мин; c2 = 5∙10-5 кг/мин; c3= 0,513; c4 = 2,083∙10-6 кг2/(мин∙кг);
c5 = 0,015 кг/кг; c6 = 0,02 мин/кг.
tn ,С
Gп , кг/мин
(у)
Рис. 6. Зависимость количества вымороженной влаги
от температуры и расхода продукта при расходе рабочего
вещества 0,5 кг/мин
(х)
Gп , кг/мин
(у)
Рис. 7. Зависимость оптимальной длины камеры смешения
от температуры и расхода продукта при расходе рабочего
вещества 0,5 кг/мин
Анализ полученных зависимостей (рис. 5-6) позволяет сделать следующие выводы о влиянии режимных характеристик на эффективность криоконцентрации. Так, количество вымороженной влаги увеличивается при
уменьшении температуры и расхода продукта поступающего на обработку
при постоянном расходе рабочего вещества поступающего в аппарат.
12
800
700
tn=15С
600
tn=25С
L, мм
500
Gr ,
кг/мин
(z)
tn=20С
400
tn=10С
300
tn=30С
200
100
0
Gп , кг/мин
(у)
W , кг/кг
(х)
Рис. 8. Зависимость расхода рабочего вещества от расхода
продукта и количества вымороженной влаги при температуре
продукта tn = 20С
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Gn, кг/мин
Рис. 9. Зависимость оптимальной длины камеры смешения
от расхода продукта при разной начальной температуре продукта
и при расходе рабочего вещества 0,5 кг/мин
На рис. 7,9 показано влияние расхода и начальной температуры продукта на оптимальную длину камеры смешения, при которой достигается
полный тепломассообмен между холодильным агентом и продуктом т.е. полностью используется холодильный потенциал и достигается максимальное
количество вымороженной влаги из продукта при расходе рабочего вещества 0,5 кг/мин. На рис. 8 показана комплексная зависимость одновременного
влияния расходов продукта и рабочего вещества на количество вымороженной влаги при полном тепломассообмене. Для фруктовых соков вымораживание влаги до 0,8 кг/кг соответствует концентрации сухих веществ до 4050%.
В третьей главе приведено описание экспериментальных установок,
методики планирования проведения экспериментов, организация проведения
экспериментов, обработаны и проанализированы полученные экспериментальные данные.
Для определения размеров гранул твердой двуокиси углерода dr на выходе из конического сопла струйного аппарата был разработан и изготовлен
экспериментальный стенд, принципиальная схема представлена на (рис.10).
Экспериментальный стенд состоит из сопла 1, баллона с жидкой двуокисью углерода 2, уравнительного клапана 3, теплоизолированной камеры
4, запорного вентиля 5, экрана 6, фильтра 7, фотоаппарата 8, стеклянной перегородки 9, измерительной линейки 10, трубки для подачи жидкого азота
11.
Рис. 10. Принципиальная схема экспериментального стенда
по определению размеров твердой двуокиси углерода
Рис. 11. Фотография кристаллов диоксида углерода
13
Структура стенда предусматривает возможность работы при диаметрах
выходного сечения сопла 0,5; 0,75 и 1мм.
Поток двуокиси углерода, вытекающей из сужающегося сопла 1,
направлялся на экран 6 и измерительную линейку 10. Сопло, экран и измерительная линейка располагались в теплоизолированной камере 4 с температурой внутри -80С. После дросселирования жидкого диоксида углерода в течении 1-2 секунд осуществлялось фотографирование цифровым фотоаппаратом с высоким разрешением 8. Фотография кристаллов, осевших на линейке,
показана на рис.11. Подсчет количества кристаллов показал, что 60% составляли кристаллы диаметром 85 мкм, кристаллы имеющие размер 150 - 175
мкм составляли 16,5%, кристаллы с размером 125 мкм и 50 мкм составляли
12% и 10% соответственно. Оставшееся число кристаллов 1,5% это кристаллы с размером более 150 мкм и менее 50 мкм.
Для проведения экспериментов по исследованию процесса криоконцентрации в струйном эжекционном аппарате разработан и изготовлен экспериментальный стенд, оснащенный необходимыми контрольно-измерительными
приборами и регулирующей арматурой (рис.12). Вид струйного эжектора
экспериментальной установки показан на рис.13.
Экспериментальный стенд состоит из струйного эжекционного аппарата 1, теплоизолированного сепаратора 2, емкости с концентратом 3, емкости
с необработанным продуктом 4, вентиля парообразного холодильного агента
5, вентилей продукта 6,7,8,9,10, весов 11, насоса для подачи жидкого продукта 12, регулирующего вентиля подачи жидкого продукта 13, резервуара для
льда 14, электронагревателя 15, баллона с жидким холодильным агентом 16,
мешалки 17, расходомера жидкого продукта 18, фильтра 19, центрифуги 20.
В качестве факторов варьирования в экспериментах принимались:
- начальная температура продукта tп.н = 10; 20; 30 С;
- конечная температура продукта tп.к зависит от свойств продукта, принимаем tп.к = -1,6С (для яблочного сока температура замерзания -1,6С при концентрации сухих веществ 15%);
- расход продукта, подаваемого в струйный аппарат Gп = 0,5; 0,75; 1; 1,25; 1,5
кг/мин;
- длина камеры смешения lкс = 200; 300; 400 мм.
В качестве выходной переменной процесса криоконцентрирования
принималось количество вымороженной влаги W, кг/кг.
Результаты экспериментальных исследований обработаны в виде зависимостей изменения количества вымороженной влаги при переменных значениях расходов, температур обрабатываемого продукта, переменной длине
камеры смешения и постоянном расходе двуокиси углерода 0,5 кг/мин и
представлены на рис. 2-4.
Анализ полученных результатов и их сравнение с результатом численного эксперимента показал, что расхождение между результатами не превышало 15% при максимальной относительной погрешности измерений
6,5%. Это подтверждает справедливость разработанной математической модели процессов в струйном криоконцентраторе.
14
а
б
2
1
Рис. 12. Измерительная схема экспериментального
стенда струйного криоконцентратора
3
Рис. 13. Внешний вид экспериментального струйного
эжекционного аппарата: а) – общий вид, б) – детали аппарата:
1- камера смешения с диффузором и приемной камерой,
2 - приемный патрубок продукта, 3 - сопло
В четвертой главе проведена технико-технологическая оценка струйной криоконцентраторной установки и разработаны принципы ее проектирования. Рассмотрена возможность применения ряда холодильных агентов в
качестве рабочего вещества.
Проведенными экспериментальными исследованиями струйного криоконцентратора для жидких пищевых продуктов (яблочного и виноградного
соков), использующего в качестве рабочего вещества двуокись углерода,
определена величина кристаллов в снежной шуге в выходном сечении аппарата (рис.15). Средневзвешенный размер кристаллов до 0,3 мм составляет
85%, а наиболее эффективное отделение концентрата с применением центрифугирования или промывки льда, содержащего сухие вещества, целесообразно осуществлять при средневзвешенных размерах кристаллов 0,3-0,35
мм. Соответственно, применение струйного эжекционного аппарата (как
кристаллизатора) может быть рекомендовано как устройство для интенсивного охлаждения продукта и как устройство для массового кристаллообразования, а так же данная установка может быть использована как кристаллизатор первой ступени в 2-х и более ступенчатой кристаллизации жидких пищевых продуктов и, учитывая преимущества двуокиси углерода, необходимые
при консервировании пищевых продуктов, т.е. отсутствие кислорода или малое его присутствие, замедление процессов окисления, брожения и т.д., данная технология весьма эффективно отразится на качестве обрабатываемого
продукта.
Применительно к другим отраслям по переработке жидких продуктов в
струйной криоконцентраторной установке (химической, фармацевтической,
нефтегазовой и др.) анализ затрат показал, что применение в качестве холодильного агента фреона R600a и фреона R124 повышает эффективность обработки на 7% и 5,5% соответственно по сравнению с типовой промышлен-
15
ной схемой криоконцентраторной установки на базе криоконцентратора
скребкового типа, работающей на тех же фреонах (рис.14).
б)
0,35
Зсум, руб/кг
0,3
0,25
0,2
а)
0,15
б)
0,1
0,05
0
2 3 45 6 78
0
1
1 2 3 4 567 8
2
Рис. 14. Сравнительная диаграмма затрат на обработку
1кг продукта а)-в установке с испарителем скребкового
типа б)-в установке струйного криоконцентратора
R744
1-R744
R22
2-R22
3-R134а
R134a
4-R600а
R600a
5-R152а
6-R290
R152a
7-R124
R290
8-R227
R124
а)
R227
Рис. 15. Размер кристаллов в выходном сечении
струйного криоконцентратора
а) яблочный сок, б) виноградный сок
Экспериментальные исследования показали, что в выходном сечении
струйного криоконцентратора образуется трехфазный поток состоящий из
пара холодильного агента, капель концентрированного жидкого продукта и
снежной шуги (водного льда и концентрированного жидкого продукта). При
этом концентрация сухих веществ обрабатываемого продукта в снежной шуге остается достаточно высокой и составляет 6,14 - 7,05% , при конечной
концентрации сухих веществ в каплях концентрированного жидкого продукта от 13,88 до 14,48% . В связи с этим для повышения эффективности СКУ в
ее схему включена центрифуга, которая позволит уменьшить унос сухих веществ со снежной шугой до 0,4 - 0,54%.
Разработана методика инженерного расчета основных элементов СКУ,
в основу которой положены разработанный способ концентрирования жидких пищевых продуктов в непрерывном потоке и устройство для его осуществления.
В заключении сформулированы основные выводы по диссертационной работе в целом.
В приложениях к диссертации приведены: программа расчета математической модели поточно-струйного контактного криоконцентрирования,
технические характеристики лабораторного оборудования, таблицы по расчету приведенных затрат, обозначение и основные свойства рабочих веществ, методика расчета промышленной криоконцентраторной установки, а
также акты внедрения результатов работы.
3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Разработана математическая модель процессов тепломассообмена,
протекающих в струйном аппарате при поточно-контактном взаимодействии
холодильного агента и продукта, отражающая особенности, связанные с
движением трехфазного двухкомпонентного потока и наличием фазовых переходов.
2. Проведенными экспериментальными исследованиями установлен
среднестатистический размер гранул твердой фазы при истечении жидкой
двуокиси углерода из сужающегося сопла и который составляет 85 мкм при
16
диаметре выходного сечения от 0,5 до 1 мм при давлении жидкой двуокиси
углерода перед соплом 64,3 бар.
3. Экспериментальными исследованиями определен коэффициент расхода  при истечении жидкой углекислоты в сужающемся сопле с диаметром выходного сечения 0,5; 0,75; 1,0 мм соответственно составляет 0,42;
0,38; 0,32 при давлении жидкой двуокиси углерода перед соплом 64,3 бар;
4. Впервые получены уравнения зависимостей, определяющие режимные характеристики струйного криоконцентратора и оптимальную длину камеры смешения в пределах изменения расхода продукта Gn от 0,5 до 1,5
кг/мин, расхода рабочего вещества Gr от 0 до 3 кг/мин, температуры продукта tn от 10 до 30 °С :
-для количества вымороженной влаги W, кг/кг
W= а1 – а2 ∙ tn – а3 ∙ Gn + а4 ∙ tn2 + а5 ∙ tn ∙ Gn + а6 ∙ Gn2 ;
при Gr = 0,5 кг/мин;
-для оптимальной длины камеры смешения Loпт , мм
Loпт = b1 – b2 ∙ tn – b3 ∙ Gn – b4 ∙ tn2 + b5 ∙ tn ∙ Gn – b6 ∙ Gn2 ;
при Gr = 0,5 кг/мин;
-для расхода рабочего вещества Gr , кг/мин
Gr= c1 + c2 ∙ W + c3 ∙ Gn – c4 ∙ W2 + c5 ∙ W ∙ Gn + c6 ∙ Gn2 ;
при tn = 20 °С;
5. Проведенными численными и экспериментальными исследованиями подтверждена справедливость разработанной математической модели;
при этом расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышало 15% при максимальной относительной погрешности измерений 6,5%.
6. Составлена программа расчета режимных характеристик струйного
криоконцентратора жидких продуктов, защищенная свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.
7. Разработаны конструкция струйного криоконцентратора жидких
продуктов, способ концентрирования жидких пищевых продуктов в непрерывном потоке и технологическая линия для концентрирования жидких пищевых продуктов, защищенные патентами Российской Федерации.
8. Применение струйного криоконцентратора в перерабатывающих
отраслях пищевой промышленности (как кристаллизатора), использующего в
качестве рабочего вещества двуокись углерода, может быть рекомендовано
как устройство для интенсивного охлаждения продукта и как устройство для
массового кристаллообразования, а также данный аппарат может быть использован как кристаллизатор первой ступени в 2-х и более ступенчатой кристаллизации жидких пищевых продуктов (фруктовых соков, виноматериалов
и др.) и, учитывая преимущества двуокиси углерода, необходимые при консервировании пищевых продуктов, предлагаемый процесс весьма эффективно отразится на качестве обрабатываемого продукта.
9. При использовании струйного криоконцентратора для обработки
непищевых жидких продуктов (химическая, фармацевтическая, нефтегазовая
и др. отрасли) анализ затрат показал, что применение в качестве холодильно-
17
го агента фреона R600a и фреона R124 повышает эффективность обработки
на 7% и 5,5% соответственно по сравнению с типовой промышленной схемой криоконцентраторной установки на базе криоконцентратора скребкового
типа, работающей на тех же фреонах.
10.Разработана инженерная методика расчета и проектирования промышленной криоконцентраторной установки, которая передана в Краснодарский научно-исследовательский институт хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Российской академии сельскохозяйственных наук
для использования в проектах холодильных систем на перерабатывающих
предприятиях агропромышленного комплекса Краснодарского края.
11.Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ГОУ ВПО “Кубанский государственный технологический университет”.
Основные положения и результаты диссертационного исследования
опубликованы в следующих работах:
I. Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных
журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией:
1. Лугинин М.И., Гордиенко Ю.В. Теоретический анализ процессов
тепломассобмена в струйном криоконцентраторе // Известия вузов. Пищевая
технология. – 2008. – № 1. – С. 76–79.
II. Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:
2. Лугинин М.И., Гордиенко Ю.В. Струйный криоконцентратор // Тезисы докладов ХХХII научной конференции студентов, и молодых ученых
вузов южного федерального округа. – Краснодар : КГУФКСТ, 2005. – С. 23–
24.
3. Лугинин М.И., Гордиенко Ю.В. Способ обработки жидких пищевых
продуктов криоконцентрированием // Агропромышленный комплекс и актуальные проблемы экономики регионов: сборник тезисов докладов пятой всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, докторантов и молодых ученых. – Майкоп : Качество, 2005. – С. 267–268.
4. Линия для концентрирования жидких пищевых продуктов : пат.
48708 Рос. Федерация: 7 A23C 1/06, B01D 9/02 / Беззаботов Ю.С., Гордиенко
Ю.В., Лугинин М.И; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО “Кубанский
государственный технологический университет”. – № 2005121387/22; заявл.
07.07.05; опубл. 10.11.05, Бюл. № 31.
5. Лугинин М.И., Гордиенко Ю.В. Установка для концентрирования
жидких пищевых продуктов // Современные проблемы холодильной техники
и технологии: сборник научных трудов 4-й международной научнотехнической конференции. – Одесса : ОГАХ, 2005. – С. 104–105.
18
6. Эжектор : пат. 56505 Рос. Федерация : МПК7 F04F 5/02, F04F 5/00 /
Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В., Лугинин М.И; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО “Кубанский государственный технологический университет”.
– № 2006105947/22; заявл.15.06.06; опубл.10.09.06, Бюл. № 25.
7. Лугинин М.И. Экспериментальный стенд для исследования струйного криоконцентратора // Региональная научно - практическая конференция
аспирантов, соискателей и докторантов. – Майкоп : Аякс, 2007. – С. 69–72.
8. Способ концентрирования жидких пищевых продуктов в непрерывном потоке : пат. 2294644 Рос. Федерация : МПК7 A23C 1/06, A23L 2/12,
B01D 9/04 / Касьянов Г.И., Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В., Лугинин М.И;
заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО “Кубанский государственный технологический университет”. – № 2005117272/13; заявл. 06.06.05; опубл.
10.03.07, Бюл. № 7.
9. Гордиенко Ю.В., Лугинин М.И. Экспериментальное исследование
размеров гранул твердой двуокиси углерода при дросселировании жидкости
для процессов струйного криоконцентрирования // Вестник ДГТУ. Технические науки. – 2007. – № 9. – С. 43–47.
10.Программа расчета режимных характеристик струйного криоконнцентратора жидких продуктов: Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008611387 / Лугинин М.И., Гордиенко Ю.В.,
Беззаботов Ю.С., заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО “Кубанский государственный технологический университет”. – № 2008610432; заявл.
07.02.08; опубл. 19.03.08.
11.Беззаботов Ю.С., Гордиенко Ю.В., Лугинин М.И. Некоторые результаты исследований струйной криоконцентраторной установки работающей
на
СО2
и
анализ
качества
обрабатываемого
продукта
//Агропромышленный комплекс и актуальные проблемы экономики регионов: сборник научных трудов XI всероссийской научно-практической конференции. – Майкоп : Аякс, 2008. – С. 144–147.
12. Лугинин М.И., Беззаботов Ю.С. Особенности процессов тепломассообмена в струйном криоконцентраторе // Инновационные технологии в
области холодильного хранения и переработки пищевых продуктов: сборник
материалов международной научно-практической конференции. – Краснодар : КНИИХП; КубГТУ, 2008. – С. 150–153.
13.Лугинин М.И. Технико-технологическая оценка возможностей при
выборе холодильного агента в качестве рабочего вещества в струйной криоконцентраторной установке // Инновационные технологии в области холодильного хранения и переработки пищевых продуктов: сборник материалов
международной научно-практической конференции. – Краснодар : КНИИХП;
КубГТУ, 2008. – С. 148–150.