Диссертация (Обоснование применения водных растворов пропиленгликоля в качестве универсального теплоносителя в тепловом оборудовании предприятий питания), страница 5

Итоговая интенсивностьэтих процессов зависит от всех режимных параметров, а также геометрическихразмеров, определяющих интенсивность каждого вида тепло- или массобмена в26отдельности. Следовательно, при разработке аппаратов с косвенным обогревомнеобходимо учитывать это обстоятельство, а также то, что такие аппаратыработают в нестационарном режиме работы.1.4 Двухфазные теплоносители, применяемые на сегодняшний день впищеварочных котлах.На сегодняшний день, основным видом теплоносителя, применяющимся врубашках пищеварочных котлов, является водяной пар.

Насыщенный водяной пардавлением до 105 Па широко применяют для нагревания до 120-130 С;применение же пара более высокого давления усложняет и удорожает процесс иэкономически не оправдывается.По сравнению с другими теплоносителями пар имеет следующие преимущества: высокий коэффициент теплоотдачи; небольшой расход, благодаря высокой удельной теплоте конденсации; легкое транспортирование по трубопроводам и простое регулированиенеобходимой степени нагрева; равномерность нагрева продукта, так как конденсация пара происходитпри постоянной температуре; высокий КПД тепловых установок при использовании теплоты паровогоконденсата.Пар также удовлетворяет другим требованиям, которые предъявляются ктеплоносителям.К главным недостаткам водяного пара можно отнести возрастание давления врубашечном пространстве при увеличении температуры.

По этой причинетемпературы разогрева насыщенным водяным паром, в промышленности обычноне поднимают выше 180-190 С, что соответствует давлению пара 10 - 12 бар. Придавлениях, превышающих 12 бар, необходима толстостенная аппаратура высокой27стоимости, а также велики расходы на коммуникации и арматуру. В тепловомкулинарномоборудованиивлажныйнасыщенныйпариспользуетсяприизбыточных давлениях до 50 кПа. Это определяется большими объемами паровыхтеплообменников,ихчувствительностьюклинейнымдеформациямиповышенной опасностью; как известно, сосуды объемом более 25 дм3 сизбыточным давлением более 70 кПа подведомственны контролю органамиГоснадзора РФ.Высокотемпературныеорганическиетеплоносители(дитолилметан,дикумилметан, дифенильная смесь), использующиеся в жарочных аппаратах,эффективно и устойчиво работают в двухфазном состоянии, так как представляютсобой изоляторы с практически постоянными физическими константами.

Ониимеют высокие температуры кипения и сравнительно низкие температурызатвердевания, термостойки при температурах до 300 С и не оказываюткоррозийного воздействия на металлы. Однако для обеспечения рабочихтемператур порядка 200…240оС эти теплоносители должны работать привакууме, а теплообменники быть абсолютно герметичными.Все приведенные выше теплоносители обладают одним явно выраженнымнедостатком – все они могут работать только при давлении в рубашке вышеатмосферного.

Нагнетание и удержание в рубашке повышенного давления влечетза собой большие затраты материалов для обеспечения необходимой прочностирубашки. Увеличение толщины стенок рубашки, в свою очередь, ведет кувеличению тепловой инерции, а значит и к излишним затратам энергии на нагреврубашки, а не пищевой среды. Так же необходимо усложнение конструкцииаппарата – добавление в конструкцию контрольно–измерительных приборовдавления в рубашке, предохранительных клапанов и других дополнительныхустройств.

Эти факторы ведут к увеличению стоимости проектирования ипроизводства пищеварочных котлов рубашечного типа, а также усложнению ихобслуживания, повышенному риску работающего с ними персонала.28Все вышеприведенные факторы ведут к серьезным экономическим потерям.Для того, чтобы снизить металлоемкость, тепловую инерцию упроститьконструкцию и условия эксплуатации пищеварочных котлов с косвеннымобогревом, логично принять меры для снижения давления в рубашкепищеварочного котла до атмосферного. При атмосферном давлении конструкцияи условия эксплуатации пищеварочного котла будут упрощены настолько,насколько это вообще возможно на существующем уровне технологии.

Наиболеепростым способом снизить давление в рубашке пищеварочного котла являетсяприменение в рубашке такого двухфазного теплоносителя, который был быспособен работать при атмосферном давлении и обеспечивать при этонеобходимую температуру нагрева пищевой среды, то есть иметь температурукипения порядка 105..110 оС. Одновременно теплоноситель должен отвечать всемтребованиям, предъявляемым к двухфазным теплоносителям, применяемым врубашках пищеварочных аппаратов с косвенным обогревом.Подобрать двухфазные теплоносители, имеющие температуру кипения приатмосферном давлении порядка 105..110оС, обеспечивающие эффективныйтемпературный напор и мягкий косвенный обогрев стенок рабочих камерварочных технологических аппаратов, - не простая задача.

Но решив эту задачуможно значительно уменьшить толщину стенок паровых теплообменников и, какследствие, их материалоемкость и тепловую инерцию, сократить расход энергии изначительно упростить условия эксплуатации.Одним из перспективных направлений является использование водныхрастворов солей и щелочей. Как известно, водные растворы, благодарятемпературной депрессии, могут изменять температуру кипения при атмосферномдавлении при изменении концентрации растворенных солей.Температурной депрессией называется разность температуры кипениячистого растворителя и раствора при одинаковом давлении.

Ее значение зависиткак от концентрации раствора, так и от природы растворителя и растворенного29вещества. Давление тоже оказывает влияние на степень температурнойдепрессии.Также перспективным является применение водных растворов другихвеществ, таких как глицерин и пропиленгликоль.Использование данных растворов, вместо применяемых на сегодняшнийдень двухфазных теплоносителей, работающих на избыточном давлении,позволит значительно упростить конструкцию и снизить металлоемкостьаппаратов.Однако, при применении водных растворов солей и щелочей в качестведвухфазных теплоносителей, работающих в рубашках пищеварочных котлов,может возникнуть ряд факторов, препятствующих их нормальной работе. Впервую очередь это отложение осадков солей и щелочей на нагревательныхэлементах и стенках котлов в качестве накипи.

Так же, вследствие выпаденияосадка из растворов солей и щелочей при нагревании, концентрация этихрастворов в рубашке пищеварочного котла может меняться со временем, чтоповлечет за собой изменение теплофизических свойств данных растворов. Естьопасность коррозии нагревательных элементов вследствие их контакта ссолевыми и щелочными растворами.

Следовательно, эти растворы перестанутотвечатьтребованиям,предъявляемымкдвухфазнымтеплоносителям,работающим в рубашках пищеварочных аппаратов с косвенным обогревом.Дляпроверкиизложенныхвышепредположенийнеобходимосконструировать экспериментальную установку и провести эксперимент, цельюкоторого будет проверка растворов солей и щелочей в условиях, приближенных кработе в рубашке пищеварочных аппаратов с косвенным обогревом.301.5 Постановка цели и задач исследования.Исходяизвышеизложенного,цельюисследованияявляетсясовершенствование теплового технологического оборудования предприятийобщественногопродукции,питания,натеплоносителейповышениеоснове–качестваиспользованияводныхраствороввыпускаемойкулинарнойдвухфазныхпромежуточныхпропиленгликоля,обеспечивающихустойчивую и эффективную работу при давлениях, близких к атмосферному,создающих двузонный (изотермический в каждой зоне) обогрев стенок рабочихкамер, исключающих их перегрев в холостых зонах.

В связи с поставленнойцелью решались следующие взаимосвязанные задачи:1.Анализсуществующихпромежуточныхтеплоносителей,применяемых в рубашечных пищеварочных аппаратах и системах жидкостногоотопления и их сравнение.2.Аналитическоеисследованиетеплофизическиххарактеристикперспективных двухфазных теплоносителей на основе водных растворов.3.Экспериментальноеисследованиетеплотехническихсвойствперспективных двухфазных теплоносителей и установление функциональныхзависимостей теплотехнических параметров от вида теплоносителя и режимаработы.4.Обоснование выбора оптимального двухфазного теплоносителя,способного работать в рубашках пищеварочных аппаратов при атмосферномдавлении.5.Исследование возможности обеспечения двузонного изотермическогонагрева стенок рабочей камеры аппаратов с косвенным обогревом на основетемпературнойдепрессииводныхрастворовпропиленгликоля,повышения качества приготовляемой кулинарной продукции.сцелью31Подтверждение работоспособности и эффективности кулинарной6.обработкипродуктаприиспользованиивыбранноготеплоносителяпорезультатам технологических испытаний пищеварочного котла.Определение7.методоврасчетаповерхноститеплообменаприиспользовании водных растворов пропиленгликоля.Согласно поставленным выше целям и задачам, в следующих главахприводятся результаты экспериментальных и аналитических исследований повыбранной теме.2.

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ.2.1 Расчет теплотехнических характеристик перспективных промежуточныхтеплоносителейВ соответствии с задачами, поставленными в главе 1, возникаетнеобходимость аналитического расчета теплотехнических характеристик веществ,которые можно использовать в качестве универсальных двухфазныхтеплоносителей в рубашечных аппаратах общественного питания.Для описания теплообмена и расчета теплообменных процессов и аппаратов,необходимо знать теплофизические характеристики применяемых растворов.При конденсации, как и во всех других процессах теплоотдачи, используютуравнениетеплоотдачи.Согласноуравнениюконвективнойтеплоотдачи,называемому также законом Ньютона, тепловой поток прямо пропорционаленразности температур жидкости и стенки и площади поверхности теплообмена:Q = α·(tн-tc)·F,(1)Q = α·∆tα·F,(2)q = α·∆tα,(3)32Где: Q - тепловой поток, Вт;q = Q / F - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2;α - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2∙К);Δtα = tН – tС - температурный напор теплоотдачи, оС;F - площадь поверхности теплообмена (стенки), м2 ;tС - температура поверхности теплообмена (стенки), оС;tН = tЖ - температура жидкости вдали от стенки (полагаем, что она постояннавдоль всей поверхности теплообмена и равна температуре насыщенияконденсирующейся жидкости при заданном давлении), оС.Коэффициент α, являющийся коэффициентом пропорциональности, вданном уравнении называют коэффициентом конвективной теплоотдачи.

Еговеличина находится в зависимости от большого числа различных факторов:скорости движения жидкости; величины температурного напора; физическихсвойств жидкости; формы, размеров и ориентации в пространстве поверхноститеплообмена и т.п.Средний коэффициент теплоотдачи от пара к стенке вычисляют по формуле: Q, Вт/(м2F t Н  t C град)(4)Выражение (4) позволяет путем эксперимента найти средний коэффициенттеплоотдачи с помощью измерения величин Q, F, t c и t H .В процессе пленочной конденсации интенсивность теплоотдачи зависит отвида режима течения конденсатной пленки, который определяется значениемчисла РейнольдсаRe V  R0(5)Где: V- средняя скорость течения пленки в данном сечении, м/с; R0= δ толщина конденсатной пленки, м; ν – кинематический коэффициентвязкости пленки, м2/с.33В процессе течения конденсатной пленки выделяют три режима:волновой,ламинарныйисмешанный.Экспериментальноустановленокритическое число Рейнольдса Reкр. При Re < Reкр.