Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Стан об'єкту та задачі дослідження

1.1 Призначення та область використання роторно плівкових апаратів

1.2 Класифікація плівкових апаратів

1.3 Процес гідродинаміки в роторно плівковому апараті

1.3.1 Середній час перебування рідини в роторному апараті

1.3.2 Мінімальна густина зрошення

1.3.3 Особливості виготовляємих РПА

1.3.4 Вплив витрат на тепловіддачу

1.3.5 Вплив в'язкості на тепловіддачу

1.3.6 Вплив числа лопатей на тепловіддачу

Висновки

Список літератури



Вступ

Проблеми підвищення якості продукції та екологічні проблеми найбільш повно і економічно реалізуються в плівковій апаратурі, де проводять процеси, які проходять в тонких шарах рідини.

Всебічний аналіз науково-технічної інформації, що подана в патентній документації та літературних джерелах дає можливості для створення нових конкурентноздатних зразків техніки, технології і матеріалів.

Плівкові випарники роторного типу отримали розповсюдження, оскільки в них відсутній статичний напір рідини, отже процес кипіння йде без підвищення температури, що особливо важливо при випарюванні під вакуумом. У цих апаратах досить малий час контакту рідини з поверхнею нагріву (менше хвилини), а тому при обробці термолабільних матеріалів, та харчових продуктів відбувається без суттєвої зміни його основних властивостей. Плівкові роторні випарники можуть працювати з дуже малою різницею температур, а це дозволяє збільшити число корпусів, знизити питому витрату гріючої пари.

Останнім часом винахідницька активність промислово розвинутих країн у напрямку розробки нових конструкцій роторних плівкових апаратів з шарнірним кріпленням лопатей і їх складових частин за останні роки підвищилась. Провідними державами у цій галузі є: Україна, Російська Федерація, США, Велика Британія, Німеччина, Франція, Японія. Запатентовані винаходи й корисні моделі стосуються як апарата в цілому, так і його складових частин: ротора (конструкції й матеріалу) тощо.

А тому метою роботи є дослідження гідродинаміки, та теплообміну в РПА з шарнірним кріпленням лопатей.

Таким чином РПА з шарнірним кріпленням лопатей застосовуються для нагріву, випарювання, дистиляції в виробництві капролактаму й холодильній техніці, при опрісненні морської води, при розділенні й очищенні напівпродуктів, у виробництві харчових продуктів, лікарських препаратів, коли особливо важливо запобігти їхньому термічному розпаду.



1. Стан об'єкту та задачі дослідження

1.1 Призначення та область використання роторних плівкових апаратів

Широкого розповсюдження набули процеси в яких взаємодіють потоки тепла та маси на твердій чи рідкій поверхні розділу фаз. При цьому рідка фаза генерується у вигляді тонкого шару і рухається вверх або вниз, взаємодіючи з іншим потоком або через тверду стінку ( процеси теплообміну, або при безпосередньому контакті фаз ( процеси тепло і масо- обміну. В тонких рідинних шарах, що мають незначний термічний опір, частинки рідини інтенсивно перемішуються, що в свою чергу викликає інтенсивний перенос тепла і маси. Цьому допомагають процеси хвиле утворення, штучна турбулізація потоку спеціальними методами. Плівкові процеси отримали поширення в хімічній, харчовій, паперовій технології, з успіхом застосовуються в технології хіміко-фармацевтичних речовин, в біотехнології, металургії. Ці процеси реалізуються в плівкових теплообмінних апаратах. До них належать: плівкові теплообмінники, плівкові випарники, плівкові конденсатори і т.д. В окрему групу можна виділити роторні плівкові апарати, що набули розповсюдження майже в усіх галузях і з успіхом використовуються наприклад: для однофазного нагріву, в процесах ректифікації, при хлоруванні парафіну, у виробництві фосфорної кислоти і анілінових фарбників, для отримання латексу і концентруванні барвників, для регенерації етилового спирту, у виробництві молочної кислоти, ізопропілацетону і розчинних у воді полімерів.

Роторні випарні апарати рекомендується застосовувати для процесів глибокого концентрування та дистиляції харчових продуктів в якості самостійних технологічних апаратів або ж в комплекті з апаратами інших типів [32]. Також вони можуть застосовуватись в якості останнього ступеня багатокорпусної випарної установки, перші корпуси якої виготовлені у вигляді трубчатих випарних апаратів (з падаючою плівкою, природною або примусовою циркуляцією). Такі установки можуть бути застосовані для упарювання стічних вод різноманітних виробництв. Роторні апарати призначені також для використання в ректифікаційних установках а якості кубового випарника [24].

Роторний апарат з жорстким ротором був винайдений К. Мюллером в 1944 році ( патент № 216214, Швейцарія), з тих пір його продовжують удосконалювати, а також розширюють області застосування таких апаратів.

1.2 Класифікація плівкових апаратів

На сьогоднішній день існує ряд плівкових і масообмін них апаратів, що використовуються в промисловості.

Плівкові апарати класифікуються наступним чином [89]:

1. Плівкові теплообмінники:

а) гравітаційною течією:

1) по зовнішній поверхні:

- з вертикальними трубами;

- з горизонтальними трубами;

б) відцентрові апарати:

1) з жорстким ротором;

2) з шарнірним ротором;

3) з маятниковим ротором;

4) з ротором спеціального типу.

2. Плівкові випарники:

а) з гравітаційною течією:

1) прямоточні:

- з вертикальними трубами;

2) протитокові:

- з вертикальними трубами;

б) зі супутнім рухом пари:

1) з висхідним рухом плівки;

в) роторні апарати:

1) вертикальні;

2) горизонтальні;

3) змішаного типу.

3. Плівкові конденсатори:

а) з поверхнею, що обертається;

б) з нерухомою поверхнею:

1) з конденсацією на поверхні труби:

- з горизонтальними трубами;

2) з конденсацією всередині труби:

- з вертикальними трубами.

Роторні плівкові апарати поділяються на: теплообмінники, випарники, дистилятори, реактори (рисунок 1.1).

Існує дві групи роторних випарних апаратів . До першої групи відносяться апарати, в яких процес тепло масообміну протікає в плівці, що утворюється на внутрішній поверхні нерухомого корпусу за допомогою ротора, який обертається. Апарати другої групи мають поверхню контакту фаз, що обертається, у вигляді конусів, спіралей, циліндрів і т. д., по яким під дією відцентрової сили переміщується продукт.

Апарати з нерухомим корпусом за способом утворення плівки поділяються на :

- апарати з “ковзаючим” ротором ;

- апарати з ротором, що утворює плівку розбризкуванням.

Останні, в свою чергу, поділяються на :

- роторні тонко плівкові апарати з циліндричним корпусом ;

- роторні тонко плівкові апарати зі ступінчатим циліндричним корпусом ;

- горизонтальні роторні тонко плівкові апарати .

В залежності від типу ротора роторні випарні апарати поділяються на апарати :

- з жорстко закріпленими лопатями (жорстким ротором) ;

- з рухомо закріпленими лопатями ;

- з комбінованим кріпленням лопатей [32].

Роторні випарні апарати з жорстким ротором поділяються на апарати зі скошеними кінцями лопатей та апарати, що такого скосу не мають. В апаратах такого типу величина зазору між кінцями лопатей і стінкою корпусу змінна по товщині лопатей. В апаратах з рухомо закріпленими лопатями величина зазору між кінцями лопатей та стінкою корпусу встановлюється самостійно при роботі апарата. Лопаті таких апаратів мають два ступені свободи : гідродинаміка плівковий роторний тепловіддача

1) обертання разом з валом ротора навколо його осі ;

2) а) обертання лопатей навколо осі їх кріплення на роторі ;

б) радіальне переміщення лопатей-стирателів (для апаратів з лопатями- стирателями).

Масообміні роторні апарати класифікуються наступним чином ( рисунок 1.2).

Найбільш поширені роторні лопатеві апарати першої групи, в яких лопать рухомого ротора активно впливає на плівку рідини, перемішуючи її. Ці апарати підрозділяються на вертикальні (зазвичай ци-ліндріч. Форми) і горизонтальні (як правило, коніч. Форми). Ротори вертикальних цилиндрич. апаратів (рис. 1,2) в основні бувають трьох видів: 1) лопаті жорстко з'єднані з валом і мають постійний зазор з внутр. поверхнею корпусу (рис.1, 2, а); 2) лопаті кріпляться шарнірно, і під час роботи зазор між кромкою лопаті і корпусом апарату встановлюється мимовільно (рис. 1,2, б); 3) митників лопаті (рис.1,2, в); на валу ротора за допомогою підвісів встановлені лопаті, які при обертанні ротора займають радіальне положення з мінім. зазором (0,3-0,5 мм). В апаратах з перерозподілом рідини по висоті поверхні тепло-, масообміну іноді використовують ротори розбризкують типу (рис. 1,2, г). При обертанні ротора перед лопатою утворюється турбулентний рідинної валик, за лопатою залишається тонкий шар рідини, що стікає в ламінарному режимі під дією сил гравітації. З кожним новим приходом лопаті рідина в цьому шарі перемішується, а вільна поверхня оновлюється. Оновлюється рідина і біля стінки апарату[46].

Рисунок 1.1 - Схема класифікації роторних апаратів



Рисунок 1.2 - Найбільш поширені лопаті роторно-плівкових апаратів

1.3 Процес гідродинаміки в роторно плівковому апараті

Уявлення про рух рідини в Роторно-плівковому апараті формувались на основі візуальних спостережень, фото і кіно з'йомки, вивчення утримуючої здатності апарату (середньої товщини плівки), часу перебування, витрат потужності, тепловіддачі. Встановлено [39, 40, 41], що при певних умовах, перед лопаттю виникає хвиля з високим ступенем турбулентності. Хвиля торкається лопаті і рухається разом з нею. Розмір і форма хвилі залежить від фізичних властивостей рідини, витрат, швидкості і конструкції ротора. Інколи її довжина досягає 100 мм і може доходити до попередньої лопаті. За даними [41] висота хвилі в 3-20 разів перебільшує величину зазору. Зі збільшенням швидкості ротора висота хвилі зменшується. За лопаттю розташовується зона, в межах якої турбулентні пульсації, які викликані ротором поступово затухають і, нарешті, рух рідини переходить у вільний рух під дією сили тяжіння.

Питання складного руху плівки рідини в роторних апаратах розглядається в роботі [40]. Автор описує гідродинаміку цього руху рідини наступним чином: жорстко закріплена лопать штовхає дугову хвилю, довжина, якої залежить від властивостей продукту і вертикальної швидкості гравітаційного руху; до дугової хвилі приєднується високо турбулентна зона і спокійна зона.

Розміри зон залежать від багатьох факторів [,,,,,]. Різні їх комбінації можуть призвести, наприклад, до збільшення зони з турбулентною течією, і зменшення спокійної зони під дією сили тяжіння і навпаки.

Утримуюча властивість вертикальних Роторно-плівкових апаратів. Для оцінки часу перебування рідини в РПА необхідно знати його утримуючу властивість, тобто об'єм рідини, що перебуває в апараті в даний момент. Товщини плівки можна розрахувати по формулі:

(1.1)

де, е-коефіцієнт стиснення потоку, е=f(Re_р).

Користуючись вищесказаним, утримуючу властивість РПА можна представити як:

(1.2)

де, H- висота лопаті в апараті; z- число лопатей в діаметральному перерізі апарату; S_вл -площа перерізу рідинного валика.

Величина зазору при шарнірному кріплені лопатей, встановлюється самочинно в залежності від роботи апарату. З ціллю знаходження цієї залежності були проведені дослідження [20] на моделі роторного апарату діаметром 170 мм в результаті чого було отримано наступне рівняння:

(1.3)

де, , , , b і c- розміри лопаток.



Критерій потужності розраховується по формулі (1.11). Як слідує з рівняння (1.2), утримуюча властивість роторно плівкового апарату залежить також від площі перерізу рідинного валика, що формується перед лопаттю.

Задача знаходження цієї площі була вирішена аналітично з позиції напівемпіричної теорії турбулентного переносу і детально описується в роботі [37]. Тому ми обмежимося кінцевими лише рівняннями при турбулентному і ламінарному режимах руху рідини в валику.

при турбулентному режимі руху рідини в валику

(1.4)

при ламінарному режимі

(1.5)

Витрати рідини, що протікає в апараті через валики

(1.6)

де, - загальні середні витрати рідини, що протікає через апарат; - витрати рідини, стікаючої в вигляді плівки, що утворюється за лопатью.

Оскільки в перерізі апарату загальна довжина окружності, змоченої рідиною, набагато більше сумарної довжини валиків, витрати рідини в стікаючій плівці можна розрахувати, як:



(1.7)

де, - густина зрошення на ділянках апарату, зайнятих плівкою рідини.

Після виходу із щілинного зазору між лопатою і стінкою кожуха обертальний рух в плівці швидко затухає, тому густина зрошення в плівці товщиною можна розрахувати по умовам гравітаційної течії:

при (1.8)

при (1.9)

Тут товщина плівки рідини знаходиться по формулі (1.1).

Шарнірно закріплена лопать може працювати або в режимі стирання, коли її кромка треться об внутрішню поверхню корпуса, або в режимі ковзання, коли між кромкою лопаті і корпусом самочинно встановлюється деякий зазор . Якщо при упарюванні рідинних середовищ не проходить заростання внутрішньої поверхні корпуса апарату, то його слідує розраховувати із умови роботи з ”плаваючими” лопатями. В цьому випадку так як зазор між кромкою лопаті і корпусом >0, відсутній знос лопатей ротора, і кінцевий продукт не забруднюється.

Для знаходження потужності N використовується відомий вираз:

(1.10)



При роботі в режимі ковзання на лопать діють тільки дві сили рис.1.3: відцентрова сила Р_ц прижимаючи лопать до стінки корпуса, і відживаюча сила гідростатичного тиску рідинного валика, направлена по нормалі до поверхні лопаті. Якщо скласти рівнянні моментів цих сил відносно осі повороту шарнірної лопаті, то його рішення [18,61]дасть залежність:

(1.11)

де m_уд- маса лопаті довжиною 1 м, а так як лопаті зроблені з фторопласту, то їх маса не значна, b і c- розміри лопаті та г- кут атаки лопаті.

При роботі в режимі стирання відцентрова сила Р_ц скомпенсована реакціями опор в точці підвісу лопаті і в місті її тертя об корпус. В цьому випадку діюча на лопать сила гідростатичного тиску рідини повинна розглядатися із умови жорсткого кріплення лопатей.

Для оцінки коефіцієнта потужності, обумовленого тільки цією силою, була отримана [18] наступна залежність:

(1.12)

В рівнянні (1.12) параметр ш характеризується виразом:

(1.13)

Числові значення коефіцієнтів і будуть визначать режим роботи лопаті. , то лопать працює в режимі плавання, а якщо - в режимі стирання.

Однак розраховувати потужність в режимі стирання по формулі (1.10) з врахуванням тільки коефіцієнта - неможна. Необхідно ще враховувати силу тертя між кромкою лопаті і корпусом апарату. Як показав проведений аналіз [18] сил, в режимі стирання потужність повинна розраховуватися по (1.10) з врахуванням коефіцієнта:

(1.14)

де, f - коефіцієнт тертя

Розглянуті питання свідчать про складний характер руху рідини в роторному апараті. Можливе існування трьох видів рухів рідини:

1. вільний під дією сил тяжіння;

2. вимушений у вигляді хвилі, що поширюється по всій поверхні апарату;

3. рух, який поєднує в собі властивості перших двох.

Можливі наступні гідродинамічні режими руху плівки:

- ламінарний; турбулентний; перехідний від ламінарного до турбулентного.

Межі гідродинамічних режимів визначаються більш складними функціональними залежностями, ніж у випадку одномірного встановленого руху рідини чи руху близького до такого ( обтікання пластини, рух в трубах, в апаратах з мішалками ). Межі гідродинамічних режимів вивчені недостатньо.

1.3.1 Середній час перебування рідини в роторному апараті

Однією з переваг роторного апарату є короткочасний контакт рідини з граючою поверхнею (рисунок 1.3).



R - порівняльна частота проходження частинок з окремими об'ємами;

- середній час перебування.

Рисунок 1.4 - Розподілення часу перебування в апараті з жорстким ротором [45].

Про можливість промислового застосування плівкових апаратів, особливо при переробці термолабільних продуктів можна судити по часу перебування рідини на граючій поверхні. Середній час перебування (), повинен бути обрахований по кривій розподілення часу перебування. Однак більш зручним в інженерних розрахунках є розрахунок по об'єму, що утримується :

(1.6)

або, що те саме



(1.7)

де - висота робочої поверхні апарату.

Порівняння величин і [23] показує, що їх співвідношення зменшується з ростом густини зрошення. Так, якщо при

м²/сек. складає 2.6, то при

м²/сек. уже 1.2. ( Апарат діаметром 50 мм, зрошення водою ). Ще ближче до одиниці це відношення буде при розподіленні часу перебування, показаному на (рисунку 1.3).

Як вказувалось раніше завдяки вертикальному розташуванню апарату, рідина, що оброблюється в апараті стікає вниз по циліндричній поверхні по спіралі внаслідок одночасної дії лопатей і сили тяжіння. Кожна часточка потоку слідує за другою часточкою в точній послідовності, і це забезпечує однаковий час перебування всіх частинок в апараті. Причому на час перебування в апараті здійснює вплив швидкість обертання ротора [19].

Автор [1] притримується протилежної думки, вважаючи, що час перебування рідини в апараті роторного типу і в апараті з плівкою, що вільно стікає ( при рівній довжині апаратів) однаково і, що час перебування рідини в роторному апараті постійний і не залежить від швидкості обертання ротора, а довжина шляху, що проходить рідина, більше, ніж у апараті з плівкою, що вільно стікає .

В роботі [14] приводяться відомості про значну різницю плівкових випарних апаратів роторного типу від апаратів іншого типу. За допомогою них проводиться випарювання термолабільних рідин без їх руйнування. Перевага цих апаратів в тому, що рідина в них знаходиться на протязі дуже короткого проміжку часу і випарюється до потрібної концентрації за один прохід через випарний апарат. Крім незначного часу перебування, випарний плівковий апарат забезпечує найбільше концентрування розчинів.

Апарати, які застосовуються з вільно стікаючою плівкою і плівкою, що піднімається по характеру руху рідини автор класифікує як статичні і підкреслює, що застосовуються вони лише при високих навантаженнях по рідині і відносно невисокій концентрації кінцевого продукту, при чому мається на увазі нев'язкі рідини. Характерною особливістю механічного випарного апарату є використання відцентрової сили для розподілення рідини по теплообмінній поверхні. Тому для випарювання високов'язких продуктів та рідин рекомендується апарат роторного типу.

Таким чином, для оцінки середнього часу перебування може бути використана товщина плівки . Знання закономірностей зміни цієї величини має, крім того, важливе значення при вирішенні задач про витрату потужності, тепловіддачу, масовіддачу, оскільки середня товщина плівки представляє розмір системи, в межах якої змінюються швидкості, тиск, температура,

1.3.2 Мінімальна густина зрошення

Мінімальна густина зрошення займає особливе місце у питаннях дослідження, проектування і експлуатації плівкових апаратів. Під цією величиною розуміють, те найменше значення густини зрошення, при якому рідина повністю зрошує поверхню апарату. Зниження густини зрошення нижче , призводить до руйнування плівки - утворення сухих плям, течії рідини у вигляді окремих потоків. В літературі практично відсутні будь-які відомості про величину мінімальної густини зрошення в роторних апаратах, тим не менш, багато авторів пояснюють отримані експериментальні дані по тепловіддачі, відгонці летючих фракцій покращенням зрошення поверхні. Зрозуміло, що відсутність даних про величину мінімальної густини зрошення знижує цінність отриманих результатів. Включення таких результатів в статистичний матеріал для встановлення часткових або узагальнених кількісних залежностей ставить під сумнів надійність останніх.

Мінімальна густина зрошення добре досліджена тільки для плівки, що вільно стікає.

Експериментально встановлено [26,22,15,43,20], що основний вплив на величину здійснюють поверхневий натяг, температурний режим, а також рівномірність зрошення поверхні і її стан.

В роботі [23] для ізотермічної течії, відмічено існування трьох значень мінімальної густини зрошення:

- отримана зменшенням густини зрошення до появи на поверхні не змочених місць;

- отримана при збільшенні густини зрошення від =0 до повного зрошення поверхні.

- займає проміжне місце між і . - відповідає густині зрошення, отриманій збільшенням від нуля до повного змочування попередньо зволоженої поверхні.

Між цими величинами завжди проявляється залежність:

(1.8)

Це явище також досліджувалось в [21]. Відмічено існування, як мінімум, двох значень мінімальної густини зрошення і , і встановлено, що відмінності в цих величинах можуть доходити до 1200% ( рисунок 1.5 ).

Автор пояснює ці відмінності крайовими кутами змочування при натіканні плівки рідини на поверхню () і при стягуванні її в окремі краплі і потоки (). Існування кількох значень мінімальної густини зрошення ускладнює процес вивчення цього явища.



а - 20⁰С, б - 44.3⁰С, в - 62.9⁰С

а, б, в, - ; а , б , в -

Рисунок 1.5 - Залежність мінімальної густини зрошення від температури стінки [22].

Теоретичне дослідження мінімальної густини зрошення проведено в [36,90] для ізотермічної течії плівки по вертикальній поверхні. Автори виходили з того, що плівка рідини при постійній витраті наближається до стану, при якому енергія буде мінімальною. Аналізуючи рівняння механічної енергії плівки встановлено, що:

(1.9)

де, ;

Також отримане рівняння:



(1.10)

Формула (1.10) підтверджується експериментально і відповідає при густині зрошення .

Вплив нерівномірності зрошення запропоновано враховувати [30] коефіцієнтом пропорційності для рівняння (1.9).

Величина n є відношенням найбільшої і найменшої товщин плівки в поперечному перетині потоку. Нерівномірність зрошення здійснює значний вплив на мінімальну густину. Так при n = 0.8, тобто коли товщина плівки змінюється не більше, ніж на 20% зростає в двічі. В подальшому величина n була конкретизована [42] і знайдена її залежність [36] від критерія Вебера:

де

- кут нахилу робочої поверхні до горизонту.

В результаті вивчення мінімальної густини зрошення при ізотермічній течії [23], було встановлено, що залежить не тільки від абсолютного значення поверхневого натягу, але і від різниці , обумовленою градієнтом температури чи концентрації.

Для випадку абсорбції і дистиляції отримана залежність [36]:



Апроксимуючи дослідні дані в діапазоні величин від 0 до 0.5 н/м. Тут - товщина плівки рідини, яка відповідає мінімальній густині зрошення.

При нагріві мінімальну густину зрошення запропоновано визначати по формулі [26]:

де А і В - дослідні коефіцієнти, які залежать від величини .

Потрібно відмітити, що при нагріві плівки води на трубі відмічалось [36] збільшення мінімальної густини зрошення з ростом різниці температур стінка плівка до максимуму при температурі стінки 100-110⁰С.

Подальше підвищення температури стінки приводило до зменшення , при цьому на поверхні труби з'являлись бульбашки пари. В дослідах [39] (рисунок 1.3.4.1) максимум не спостерігався, що, очевидно, пояснюється різними довжинами труб: 152 мм в роботі [36] і 571 мм в роботі [39]. Збільшення температури рідини також призводить до зміни . Однак, однієї точки зору про вплив цього фактору немає. Так за даними [89] і [35] зростання температури рідини тягне за собою зменшення мінімальної густини зрошення, за даними [36] - збільшення.

Це пов'язано з різною змочуваністю поверхні в роботах [89,42,36].

Якщо припустити, що густина рідини не змінюється з температурою, то з формули (1.24) слідує:

~



Величини , , зменшуються з ростом температури, однак, збільшується. Різні абсолютні значення і темп зміни цієї величини з температурою можуть привести, як до збільшення , так і до зменшення.

Теоретичне дослідження мінімальної густини зрошення при зміні агрегатного стану проведено в [25]. З умови рівноваги сил в критичній точці розірваної течії отримано співвідношення:

(1.11)

Повне зрошення граючої поверхні можна очікувати в тому випадку, коли права сторона цього співвідношення більше лівої. З (1.11) може бути розрахований критичний питомий тепловий потік, при якому руйнується плівка.

Звертають на себе увагу невисокі значення критичного питомого теплового потоку, а також більш сильна ніж по теорії, залежність дослідного значення критерію Рейнольдса від q.

Густина зрошення обумовлює співвідношення двох факторів, що дієть на плівку рідини:

- сили тяжіння;

- дія ротора з лопатями.

Таким чином, мінімальна густина зрошення при вільно стікаючій плівці рідини являє собою складну задачу, деякі питання, якої вивчені недостатньо.

В роторному плівковому апараті залежність від факторів, що впливають на неї, буде ще складнішою. Можна представити, що якісні частинні залежності від теплофізичних властивостей рідини, середньої різниці температур, температури стінки і т.п. залишаться такими ж, як при вільному стіканні шару. До них додадуться залежності, що враховують вплив швидкості ротора, його конструктивні особливості.

Деякі дані, свідчать про існування мінімальної густини зрошення в роторних плівкових апаратах, і про якісні залежності її приведені нижче.

В [34] відмічено існування деякої густини зрошення , при якій відбувається руйнування плівки рідини, причому різна для різних конструкцій роторів і має більш низькі значення для розчинів гліцерину ніж для води.

В [41] досліджуючи теплопередачу при кипінні води в апараті з ротором, що схожий на скребок , було встановлено, що між коефіцієнтом теплопередачі к, визначеному по кількості тепла пари, що конденсується, і коефіцієнтом, визначеним по кількості тепла, що сприймається киплячою водою, іноді існує значна різниця.

Автор прийшов до висновку, що поверхня апарату в цьому випадку змочена не повністю і запропонував оцінювати інтенсивність теплопередачі таким чином:

В роботах [4,5] аналізується вплив на інтенсивність теплообміну густини зрошення. Дослідження показали, що внаслідок покращення умов зрошення поверхні теплообміну і підвищення турбулентності стікаючої плівки рідини зі збільшенням густини зрошення відбувається збільшення коефіцієнта теплопередачі. Збільшення інтенсивності теплообміну зупиняється при досягненні оптимальної величини густини зрошення, що відповідає певному режиму роботи апарату. Максимальна інтенсивність процесу теплопередачі досягається в роторному апараті з жорстким кріпленням лопатей при більш високих навантаженнях по рідині, ніж у випадку ротора з шарнірними лопатями. При певних конструктивних особливостях роторного апарату і відповідних параметрах режиму його роботи зменшення густини зрошення з ціллю зменшення товщини плівки приводить до збільшення коефіцієнту тепловіддачі за рахунок зменшення термоопору плівки.

Але зменшення густини зрошення повинно бути вище деякого мінімального її значення, при якому порушується цільність плівки, і на поверхні утворюються сухі плями, що знижує ефективність роботи апарату.

Автор [42] вказує, що на залежність:

де Г - густина зрошення,

Мінімальна густина зрошення впливає також на інтенсивність масообміну. Дослідження виходу дистиляту при випарюванні синтетичних жирних кислот, проведені авторами [39], свідчать про збільшенні виходу продукту з підвищенням навантаження по вихідній рідині ( рисунок 1.9), що також пов'язане зі ступенем використання граючої поверхні апарату.



1 - =5; 2 - =10;

3 - =20;4 - =30; 5 - =35.

Рисунок 1.6 - Вихід дистиляту в залежності від кількості рідини, що подають G при різних температурних напорах [39].

При конструкції ротора з жорстким кріпленням лопатей впливає наявність чи відсутність хвиль перед лопатями. В режимі відсутності хвиль перед лопатями процес тепловіддачі подібний процесу при вільно стікаючій плівці. Після появи «носових» хвиль перед лопатями подальше збільшення густини зрошення практично не викликає збільшення інтенсивності теплопередачі, так. Як рідина починає переноситись в них вздовж осі апарату, не викликаючи додаткової турбулізації шару.

Зменшення подачі має свою критичну точку, і настає в момент, коли плівка, що випарюється стає нестійкою і наближається до руйнування, при цьому утворюються гарячі сухі плями на стінці. Зменшення зазору дозволяє підтримувати стійку плівку при умові потрібного навантаження по рідині. Звідси можна було б зробити висновок, що зазор потрібно робити як можна менше, тобто лопаті повинні були ковзати по стінці. Однак, це не зовсім так. Якщо лопаті торкаються граючої поверхні, то, окрім зносу матеріалу, при цьому коефіцієнт теплопередачі порівняно невеликий, хоча лопаті знімають забруднення зі стінки апарату.

В роторних плівкових апарата, так, як і в плівкових апаратах з плівкою, що вільно стікає, застосовують пристрої для попереднього розподілення рідини [43]. В літературі відсутні будь-які дані про якість попереднього розподілення. Тому мінімальна густина зрошення, як найбільш чутлива до рівномірності величина, може слугувати також для оцінки того чи іншого способу розподілення рідини.

1.3.3 Особливості виготовляємих РПА

- Можливість проведення процесу випарювання в широкому діапазоні параметрів пари, що гріє, що особливо важливо при обробці середовищ з нетермо стійке речовинами (молока, томатної пасти, низькомолекулярних кислот і т.д.).

- Малий час перебування упарюваного розчину в апараті.

- Відсутність відкладень на поверхні РПА при температурі випаровується середовища до 150 ° С.

- Висока теплонапряженість теплообмінної поверхні (до 250-300х105 Вт / м.кв.)

Основні технічні характеристики одного модуля РПА.

Орієнтовні розміри модуля: діаметр труби від 30 до 100 мм, висота труби від 500 до 4000 мм

Гріючого середовища: насичений пар з тиском P = 0.5 - 1.0 Мпа (або електричний обігрів)

Продуктивність модуля по випаровуємому середовищі 160 - 200 кг / год (залежить від параметрів пари, що гріє і моделі РПІ)

Тиск вторинної пари порядку 0.02 Мпа

Тиск що гріє пара від 0,5 до 1.0 Мпа

Витрата що гріє пара 1,1 кг на 1, 0 кг випареного продукту

Число оборотів ротора 80 - 200 об. / Хв

Потужність 0,35-0,75 КВт

1.3.4 Вплив витрат рідини на тепловіддачу

Дослідження [5,14] підтвердили спостереження Циганкова і Марценюк для малов'язких рідин цю межу одержати важко, оскільки збільшення швидкості приводить до збільшення затрат енергії. Досліджуючи взаємозв'язок теплопередачі і витрат рідини [5,14], [1] встановили що збільшення G приводить до підвищення К (рисунок 1.11). Автори пояснюють це збільшення тим, що зникають не змочені місця на теплопередающій поверхні і посилюється турбулентність стікаючої плівки. В апаратах з шарнірно закріпленими лопатями цей випадок спостерігається при обробці маловязких рідин [18,23] .Л.Н.Марченко установив , що . Мабуть, вплив густини зрошення тут переоцінений, із-за того, що враховані дослідні дані, одержані при частковому зрошуванні поверхні. Справедливість цього висновку підтверджує [2,15] але він відзначає що ця закономірність порушується як тільки вся поверхня виявляється змоченою. Ріст тепловіддачі обумовлений підвищенням турбулентності потоку. Встановлені співвідношення - для ламінарного режиму руху і - для перехідного[14]. Цей випадок спостерігається при нагріванні вязких рідин в апараті з радіальними скребковими лопатями. Середня густина зрошення в дослідах була .

Подальше збільшення витрати, як це добре видно з (рисунок 1.8) майже не приводить до зростання К. Середня густина зрошення в цих дослідах була . В цьому випадку можна відмітити, що використання високих густин зрошення, не раціонально.



Рисунок 1.7 - К в залежності від G (по даним Федоткіна).

Рисунок 1.8 - Залежність К від G при n=2400об/хв Д₁>Д₂ (по даним [2]).

1.3.5 Вплив вязкості на тепловіддачу

Вплив в'язкості в роторних апаратах менш істотний, ніж в добре вивчених задачах конвективного теплообміну [5,14]. На рис.1.13 показана залежність коефіцієнта теплопередачі від в'язкості при різних швидкостях зсуву [2] . Крива 5 побудована за даними [15] без врахування швидкості зрушення. Ті ж дані, но з врахуванням швидкості зсуву, представлені кривою 3. Криві 1,2 відносяться до вертикального апарату з шарнірним кріпленням лопатей, криві 3,4,5- до горизонтального. При порівнянні кривих видно, що в вертикальних апаратах вплив в'язкості слабкіший, ніж в горизонтальних. З підвищенням швидкості зсуву вплив в'язкості підвищується. Не значний вплив вязкості на коефіцієнт теплопередачі встановлено [14]. , що підтверджується результатами роботи [2].

Впровадження енергозберігаючих технологій та одержання якісних продуктів сприяють усталеному розвитку промислового комплексу України. Випарні установки широко використовуються в різних галузях промисловості: фармацевтичній, хімічній, харчовій, металургійній, целюлозно-паперовій та ін. Багато термолабільних речовин при нагріванні під атмосферним тиском розкладаються ще задовго до того, як досягається температура їх кипіння. Процесу деструкції речовин сприяє: висока температура обігріваючої стінки апарата; тривалий нагрів; наявність домішок . При виборі випарника необхідно керуватись, головним чином, двома основними вимогами [48]: випарник повинен мати мінімальний гідравлічний опір при проході парів через нього; час перебування продукту в зоні нагріву повинен бути мінімальним. Абсолютна величина втрати речовини в значній мірі визначається конструкцією випарника. Мінімальні втрати досягаються, при використанні плівкових і роторно- плівкових випарників, що обумовлено мінімальним часом перебування і затримки речовини в них, а також невеликим опором в таких апаратах. Плівкові випарники з падаючою плівкою кращі ніж випарники з висхідною плівкою внаслідок меншої затримки рідини і меншого опору випарника. Плівкові випарники не використовуються в тих випадках, коли необхідно проводити упарювання речовини до утворення твердого чи дуже в'язкого залишку[48]. В таких випадках доцільно використовувати роторно-плівкові апарати (РПА).



Рис. 1,9 - Залежність співвідношення кільцевої і вертикальної швидкостей течії плівки рідини від густини зрошення

В загальному випадку задачею гідродинаміки є швидкості руху і тиску в рідині. В РПА ця задача теоретично не розв'язується. А отже, слід користуватися залежностями, які отримані дослідним шляхом. Тому, було досліджено співвідношення кільцевої і вертикальної швидкостей течії плівки рідини від густини зрошення, кількості лопатей, зазору між лопаттю і корпусом, кількості обертів. Часткові результати дослідів представлені на рисунку 1. Досліди показали, що зі збільшенням густини зрошення збільшується значення . Це обумовлено тим, що при збільшенні густини зрошення імпульс передається ротором через шар повітря, який поступово зменшується і самі лопаті передають плівці рідини кільцеву xz WW

1.3.6 Вплив числа лопатей на тепловіддачу

Вплив цих параметрів, при нагріванні рідини в апараті з шарнірно закріпленими лопатями, вивчали автори робіт [6,19].

Відмічено ріст при зменшенні зазора і встановлено, що [6]. Але зменшення зазора має межу [6], пов'язаний із зносом ротора і стінки апарату. Ріст числа лопатей підвищує тепловіддачу [6], [19]. А в випадку скребкового ротора [14], [3]. Інтенсифікацію теплообміну слід чекати навіть при великій кількості лопатей [2] (рисунок 1.14). Сітчастий ротор , про який йде мова, еквівалентний скребковому з шагом лопатей 12 мм. Но збільшення числа лопатей також має межу, зв'язану з труднощами розміщення великого їх числа в апараті.

Спроба одержати узагальнене рішення рівняння для б зроблено в [1]. Отримані критеріальні рівняння для води при d=169мм и z=3.

(1.12)

справедливого в діапазоні , ,

Можна припустити що залежність б від основних визначальних параметрів має вигляд

(1.13)

отже із збільшенням d, б зменшується, що суперечить іншим дослідженням [5,4,14,16,17].

Далі із (1.12) витікає, що зростання м приводить до зростання б , що також спростовується роботами [5,2], де виявлено що зростання м приводить до зниження інтенсивності тепловіддачі.

Тобто (1.12) не розкриває істинно картини процесу теплообміну.

Дані [6,19], відносяться до скребкових лопатей и узагальнені рівнянням

(1.14)



Аналіз показує, що

(1.15)

Останнє рівняння якісно добре узгоджується з [37-39,29,20].

З аналізу видно, що відсутні надійні рівняння для тепловіддачі, а також явно недостатньо вивчена якісна сторона процесу теплообміну в апаратах з шарнірно закріпленими лопатями.



Висновки

Проводячи аналіз літературних джерел, потрібно відзначити, що застосування у певних технологічних схемах тепло-масообмінної апаратури з плівковою течією рідини, а саме роторних плівкових апаратів на сьогоднішній день дає позитивний економічний результат.

Об'єктами впровадження таких апаратів можуть бути технологічні схеми виробництв термолабільних речовин; установки для сушки продуктів; установки для концентрування розчинів; технологічні схеми виробництва молока та інших біологічних речовин тощо.

Аналіз теоретичних робіт з мінімальної густини зрошення рідини показує, що теоретичне вивчення цієї задачі досить складне. В літературі майже відсутні будь-які дані про цю величину в роторних плівкових апаратах, а ті дані, що існують мають обмежену область застосування і досить громіздкі для інженерних розрахунків. Тому для звичайних розрахунків зазвичай користуються експериментальними даними.

Значна кількість факторів, що впливають на гідродинаміку в роторних апаратах, свідчить про те, що аналітичний розвґязок задачі являється складним і поки відсутній. Роторні апарати можуть розраховуватись на основі експериментальних даних, емпіричних формул і критеріальних рівнянь, отриманих рядом дослідників і придатних лише для апаратів того типу, з якими проводились дослідження.

Аналіз робіт з дослідження коефіцієнту тепловіддачі показує, що вплив швидкості обертання ротора виражається в основному, в забезпеченні зрошення всієї поверхні теплообміну і, в меншій мірі, - в інтенсифікації процесу за рахунок підвищення турбулентності стікаючого шару. Теоретичне вивчення цієї задачі досить складне.

Внаслідок складності гідродинаміки в роторних плівкових апаратах, теоретичний розрахунок теплообміну пов'язаний з певними труднощами.

Задачі дослідження

На основі аналізу літературних джерел (п. 1.3), патентної документації (п. 1.4) та виявлених недоліків поставлені наступні задачі досліджень.

1. Скласти фізичну і математичну моделі процесу гідродинаміки в роторному плівковому апараті.

2. Обґрунтувати методи дослідження гідродинаміки та теплообміну.

3. Провести експериментальне дослідження гідродинаміки утворення плівки залежно від лопатей робочого органу

4. Провести експериментальні дослідження мінімальної густини зрошення при ізотермічному та не ізотермічному русі рідини в роторно плівковому апараті.

5. Провести експериментальні дослідження коефіцієнта тепловіддачі в роторному плівковому апараті.

6. Узагальнити результати досліджень.

7. На основі отриманих результатів досліджень розробити алгоритм розрахунку роторного плівкового апарату.

8. Розробити проект роторного плівкового апарату.



Перелік посилань

1. Исследование некоторых закономерностей гидродинамики и теплообмена в роторном пленочном аппарате/ Лысенко К.В.// Авторефер. дис. на соиск. уч. степени канд. тех. наук. М.- МИХМ, 1967.

2. Исследование гидродинамики тонкопленочного роторного дистилляционного аппарата / Марченко А.Н., Соляник О.Н.// «Массообменные процессы хим. технологии» 1967, №2.

3. Исследование еффективности некоторых конструкций тонкопленочных аппаратов /Марченко А.Н.// Авторефер. дис. на соиск. уч. степени канд. тех. наук. Харьков, 1968.

4. Некоторые вопросы теплопередачи и гидродинамики тонкопленочного аппарата роторного типа / Марченко А.Н., Соляник О.Н.// Хим. машиностроение 1968, №6 с. 93-97.

5. К вопросу об эффективности тонкопленочных роторных аппаратов / Марченко А.Н., Соляник О.Н.// Хим. Пром-сть Украины, 1967, № 4.

6. Гидродинамика и теплообмен в газожидкостных аппаратах химической технологии / Доманский И.В. // Авторефер. дис. на соиск. уч. степени д-ра тех. наук. Л.-Ленингр. технол. институт им. Ленсовета 1976. - 42с.

7. Исследование некоторых вопросов гидродинамики и теплоотдачи в роторных пленочных апаратах с жестким креплением лопастей / Зубрий О.Г. // Авторефер. дис. на соиск. уч. степени канд. тех. наук. К.- Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Окт. соц. революции, 1973. - 26с.

8. Гидродинамика и теплообмен при двухстадийной обработке осадкообразующих продуктов в роторно-пленочных аппаратах / Барштейн В.Ю. // Авторефер. дис. на соиск. уч. степени канд. тех. наук. К.- КПИ, 1994. - 26с.

9. Исследование гидродинамики и теплообмена в вертикальном роторно-пленочном аппарате с шарнирными секционированными лопастями

10. /Росабель-Вега Хулис-Мануэль // Авторефер. дис. на соиск. уч. степени канд. тех. наук. Л.- 1980. - 20с.

11. Гидродинамика и теплообмен в роторном пленочном аппарате с гидрофобной поверхностью орошения / Шевчук Ю.В. // Авторефер. дис. на соиск. уч. степени канд. тех. наук. К.- КПИ, 1992. - 24с.

12. Технология концентрирования белковых продуктов в роторно- пленочных апаратах /Мартынов Н.П., Базанов М.И., Колесников Н.А// Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1995. Т. 38. с.97-98.

13. Тепломассообменный роторный аппарат: А. с. 2027463 RU, МКИ⁶ B01D1/22 / Гаврилин А.В., Захарова Ю.А., Беляков В.И. - № 5022772/26; заявл. 12. 02.1992.

14. Роторный пленочный выпарной аппарат: А. с. 2186605 RU, МКИ⁷ B01D1/22 / Пантюхин А.Н., Куликов К.Н. - № 2001100156/12; заявл. 03.01.2001; опубл. 10.08.2002.

15. Роторно-пленочный аппарат для концентрирования жидких продуктов, преимущественно жиромасляных растворов или суспензий, способ концентрирования жидких продуктов: А. с. 93034123 RU, МКИ⁶ , B01D1/22, B01D3/30 / Белугин В.А., Калякин С.Г., Бригуца В.И., Доманский И.В., Шарыпин В.И., Яркин А.Н. - № 93034123/26; заявл. 09.07.1993; опубл. 20.01.1996.

16. Методика расчета гидравлического сопротивления потока газа при пленочном течении жидкости /В.Г.Айнштейн, М.К.Захаров // Хим. Пром-сть 2001, №12 с. 37-85.

17. Расчет и конструирование современного теплотехнического оборудования. М. - 1989. с. 3 - 5.

18. Последовательность теплового и гидромеханического расчета испарителей со стекающей пленкой. / Кулов Н.Н., Соловьева Г.И., Костюшко Е. А. //

19. Мощность потребляемая в вертикальном роторном апарате. / Доманский И.В., Шишкин А.В., Соколов В.Н.// ЖПХ. 1985. Т. 48. № 8. С. 1862 - 1864.

20. Удерживающая способность вертикального роторного аппарата с шарнирно закрепленными лопастями. / Доманский И.В., Шишкин А.В., Соколов В.Н.// ЖПХ. 1986. Т. 49. № 7. С. 1581 - 1585.

21. Теплообмен в реакторах с пленочным течением жидкости / Никифорова О.П., Горшков А.С., Муштаев В.И // Хим. Пром-сть, 1994 № 4, с. 255-259.

22. Якоб М. Вопросы теплопередачи. Перевод с английского. М.,ИЛ, 1960, 516 с.

23. Расчет профилей жидкостных пленок. Profile equations for film flours at moderate recholds members / Khesngi Haroon S.// Alche Journal, 1989 - 35 - № 10. c. 1719-1727.

24. Structural In organic Chemistry./Wells F.// Oxford Univ. Press. 1990. p. 58-60.

25. Film-forming evaporation apparatus : United States Patent 5,028,297; Bracken; Kevin R. (Sunland, CA) Appl. No 07/534,651; June 6, 1990; July 2, 1991.

26. Thin Film evaporator construction and performance / Skocylas A // “Brit. Chem. Eng”, №8,12, 1967.

27. Agitated thin-film evaporators /King P.// “Chem. Eng”, Sept., 13, 1965.

28. Recent trends in evaporation design / King P.// “Manufacturing Cnem.”, July, 1960.

29. Thin Film Continuous Evaporating Apparatus: GB1188906, (IPC1-7): B01D1/22 / HITACHI LTD (JP), GB19680011598 19680308; 1970-04-22.

30. Тhin-film evaporator: WO2005030358 A1, (IPC1-7): B01D11/04; B01D1/22; B01J19/18 / Glasl Wolfgang [at];Siebenhofer Matthaeus [at];Koncar Michael [at] ; AT2004000335W 20041001; 2005-04-07.

Rupture mechanism of a liquid film / Zubman I., Corry J., Perlee Henry E.// “ Science”, № 3839, 161, 1968.

31. Якоб М. Вопросы теплопередачи. Перевод с английского. М.,ИЛ, 1960, 516 с.

32. Расчет профилей жидкостных пленок. Profile equations for film flours at moderate recholds members / Khesngi Haroon S.// Alche Journal, 1989 - 35 - № 10. c. 1719-1727.

33. Structural In organic Chemistry./Wells F.// Oxford Univ. Press. 1990. p. 58-60.

34. Film-forming evaporation apparatus : United States Patent 5,028,297; Bracken; Kevin R. (Sunland, CA) Appl. No 07/534,651; June 6, 1990; July 2, 1991.

35. Thin Film evaporator construction and performance / Skocylas A // “Brit. Chem. Eng”, №8,12, 1967.

36. Agitated thin-film evaporators /King P.// “Chem. Eng”, Sept., 13, 1965.

37. Recent trends in evaporation design / King P.// “Manufacturing Cnem.”, July, 1960.

38. Thin Film Continuous Evaporating Apparatus: GB1188906, (IPC1-7): B01D1/22 / HITACHI LTD (JP), GB19680011598 19680308; 1970-04-22.

39. Тhin-film evaporator: WO2005030358 A1, (IPC1-7): B01D11/04; B01D1/22; B01J19/18 / Glasl Wolfgang [at];Siebenhofer Matthaeus [at];Koncar Michael [at] ; AT2004000335W 20041001; 2005-04-07.

Rupture mechanism of a liquid film / Zubman I., Corry J., Perlee Henry E.// “ Science”, № 3839, 161, 1968.

40.Газожидкостные реакторы. / Доманский И.В., Соколов В.Н.// Маштностроение 1986. 216 с.

Технология машиностроения для тяжёлой промышленности и бытовых приборов.Указатель неопубликованных и ведомственных материалов. М. 1999г

41.Плёночные выпарные апараты//Т. Хоблер/ М.-во пром.-сті україни, Укр. Хім.т.-во. -К., 1995.

42.Бакластов А. М. и др. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок: Учеб. пособие для вузов / А. М. Бакластов, В. А. Горбенко, П. Г. Удыма; Под ред. А. М. Бакластова. М.: Энергоиздат, 1981. - 336 с., ил.

43. Гинзбург А. С. Тепло-физические характеристики пищевых продуктов. - М.:Химия, 1980.

44.Соколов В. Н., Яблокова М. А. Аппаратура микробиологической промышленности, - Л.: Машиностроение, 1988. - 278 с.

45.Олевский В.М., Ручинский В.Р. Ректификация термически нестойких продуктов. М. «Химия», 1972, 200 с.

47.http://www.ximicat.com/info.php?id=4283

48.Отчет по исследованию процесса молекулярной дистилляции в жидкостных пленках, стекающих по полимерным поверхностям в производстве ихитиена / Ю.Е.Лукач, Е.Г.Воронцов, Ю.В.Шевчук // Киев, 1980г, 295-10т - 47с.

Размещено на Allbest.ru