Помощь студентам в учебе
Совершенствование гидродинамических процессов обработки пищевого сырья в кожухотрубном струйно-инжекторном аппарате
|
Основные условные обозначения…………………………………………………5
Введение……………………………………………………………………..……...7
Глава 1. Анализ литературных данных по исследованию гидродинамики в кожухотрубном струйно-инжекционном аппарате………………………………12
1.1. Классификация и принцип действия струйно-инжекционных аппаратов………………………………………………………………………..…..12
1.2. Анализ научных работ посвящённых изучению механизма уноса газа свободными струями жидкости …………………………………...…………….28
1.3. Анализ литературных данных по определению диаметра свободной струи жидкости……….…………………………………………………………………..42
1.4. Режимы движения газожидкостной смеси в трубах……………….………47
1.5. Объёмное и расходное газосодержание при восходящем и нисходящем движении газожидкостной смеси в трубах КСИА……………………….…….48
1.6.Гидравлические сопротивления при восходящем и нисходящем движении газожидкостных потоков в трубах КСИА……………………………………….50
1.7. Начало устойчивой работы КСИА……………………………….…………57
1.8.Возможность применения кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата в других отраслях промышленности……………………….…………61
1.9. Постановка задачи исследований….…………………………….….………63
Глава 2. Теоретические подходы к исследованию уноса газа в КСИА……….64
2.1. Модели механизма уноса газа струями жидкости…………………………64
2.2. Теоретические подходы к определению диаметра свободной струи в условиях начального установившегося режима работы КСИА………….……73
2.3. Гидравлические сопротивления в трубах КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы …………………………………………………………………….….76
2.4. Гидравлические сопротивления в трубах КСИА при начальном установившемся режиме движения газожидкостной смеси …………………..77
Глава 3. Экспериментальные исследования гидродинамической обстановки в трубах КСИА при начальном устойчивом режиме работы ……………………. 82
3.1. Схема экспериментальной установки исследования гидродинамических характеристик в КСИА в условиях начального установившегося режима работы.…………………………………………………………………………..…82
3.2. Результаты исследования уноса газа свободными струями жидкости в условиях начального устойчивого режима работы ……………….…………..86
3.3. Результаты исследования диаметра свободных струй жидкости при начальном устойчивом режиме работы ……………………………..…………93
3.4. Результаты исследования гидродинамической обстановки в трубах КСИА при начальном устойчивом режиме работы …………………………..……….95
3.5. Описание схемы экспериментальной установки исследования частичного возврата газовой фазы из опускной трубы КСИА …………………..…………97
3.6. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных……100
3.7. Результаты исследования возврата газовой фазы из опускной трубы кожу-хотрубного струйно-инжекционного аппарата ……………………..…………101
3.8. Описание схемы экспериментальной установки исследования уноса газа в КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы ………..………..…………..106
3.9. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных в КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы ………………………..……107
3.10. Результаты исследования гидравлических сопротивлений в трубах КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы. Границы режимов работы………109
3.11. Методика инженерного расчёта циркуляционного контура КСИА в условиях начального установившегося режима работы ……………………114
Глава 4. Исследование уноса газа двухфазным жидкостным потоком в трубы кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата …………….…………….115
4.1.Описание схемы экспериментальной установки………………..………….115
4.2. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных……117
4.3. Результаты исследования уноса газа в трубы КСИА при движение двухфазного потока………………………………………………………….……118
Основные выводы……….……………………………………………….……..…121
Литература…………………………………………….……………….……….….123
Приложение……………………………………………………………….……….134
Введение……………………………………………………………………..……...7
Глава 1. Анализ литературных данных по исследованию гидродинамики в кожухотрубном струйно-инжекционном аппарате………………………………12
1.1. Классификация и принцип действия струйно-инжекционных аппаратов………………………………………………………………………..…..12
1.2. Анализ научных работ посвящённых изучению механизма уноса газа свободными струями жидкости …………………………………...…………….28
1.3. Анализ литературных данных по определению диаметра свободной струи жидкости……….…………………………………………………………………..42
1.4. Режимы движения газожидкостной смеси в трубах……………….………47
1.5. Объёмное и расходное газосодержание при восходящем и нисходящем движении газожидкостной смеси в трубах КСИА……………………….…….48
1.6.Гидравлические сопротивления при восходящем и нисходящем движении газожидкостных потоков в трубах КСИА……………………………………….50
1.7. Начало устойчивой работы КСИА……………………………….…………57
1.8.Возможность применения кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата в других отраслях промышленности……………………….…………61
1.9. Постановка задачи исследований….…………………………….….………63
Глава 2. Теоретические подходы к исследованию уноса газа в КСИА……….64
2.1. Модели механизма уноса газа струями жидкости…………………………64
2.2. Теоретические подходы к определению диаметра свободной струи в условиях начального установившегося режима работы КСИА………….……73
2.3. Гидравлические сопротивления в трубах КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы …………………………………………………………………….….76
2.4. Гидравлические сопротивления в трубах КСИА при начальном установившемся режиме движения газожидкостной смеси …………………..77
Глава 3. Экспериментальные исследования гидродинамической обстановки в трубах КСИА при начальном устойчивом режиме работы ……………………. 82
3.1. Схема экспериментальной установки исследования гидродинамических характеристик в КСИА в условиях начального установившегося режима работы.…………………………………………………………………………..…82
3.2. Результаты исследования уноса газа свободными струями жидкости в условиях начального устойчивого режима работы ……………….…………..86
3.3. Результаты исследования диаметра свободных струй жидкости при начальном устойчивом режиме работы ……………………………..…………93
3.4. Результаты исследования гидродинамической обстановки в трубах КСИА при начальном устойчивом режиме работы …………………………..……….95
3.5. Описание схемы экспериментальной установки исследования частичного возврата газовой фазы из опускной трубы КСИА …………………..…………97
3.6. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных……100
3.7. Результаты исследования возврата газовой фазы из опускной трубы кожу-хотрубного струйно-инжекционного аппарата ……………………..…………101
3.8. Описание схемы экспериментальной установки исследования уноса газа в КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы ………..………..…………..106
3.9. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных в КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы ………………………..……107
3.10. Результаты исследования гидравлических сопротивлений в трубах КСИА с частичной рециркуляцией газовой фазы. Границы режимов работы………109
3.11. Методика инженерного расчёта циркуляционного контура КСИА в условиях начального установившегося режима работы ……………………114
Глава 4. Исследование уноса газа двухфазным жидкостным потоком в трубы кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата …………….…………….115
4.1.Описание схемы экспериментальной установки………………..………….115
4.2. Методика проведения экспериментов и обработки опытных данных……117
4.3. Результаты исследования уноса газа в трубы КСИА при движение двухфазного потока………………………………………………………….……118
Основные выводы……….……………………………………………….……..…121
Литература…………………………………………….……………….……….….123
Приложение……………………………………………………………….……….134
Актуальность работы. Многофазные потоки в каналах технологических аппаратов и трубопроводах находят всё большее применение в различных отраслях промышленности: в пищевой, микробиологической, фармацевтической промышленности, в атомной и теплоэнергетике, химической, при совместной добыче и транспорте нефти и газа.
В пищевой и микробиологической отраслях промышленности гидродинамика газожидкостных и трёхфазных потоков во многом определяет интенсивность сорбционных и теплообменных процессов, а именно: на пивоваренных предприятиях – процессы варки пивного сусла и его брожения, спиртовых заводов – процессы механико-ферментативной обработки зернового сырья, его осахаривания и сбраживания, на дрожжевых заводах – процессы культивирования микроорганизмов, на заводах производящих безалкогольную продукцию – процессы сатурации напитков на основе воды молочной сыворотки или фруктовых и овощных соков, на сахарных заводах – процессы сульфитации и сатурации при производстве сахара.
Производство многих безалкогольных напитков, пива, шипучих вин и т. п. связано с обязательным насыщением их диоксидом углерода. От качества газирования напитков зависят вкус, аромат, пенистость и игристость напитков. Газирование напитков протекает либо в изотермических условиях, когда в предварительно охлаждённый продукт подаётся CO2, либо при переменной температуре в процессе охлаждения напитка. И в том и другом случае при гидравлическом расчёте необходимо учитывать наличие двух фаз.
Эффективность проведения перечисленных выше технологических процессов во многом определяет рентабельность промышленных предприятий, делает конкурентно способной выпускаемую ими продукцию.
С другой стороны, эффективность проведения технологических процессов определяется возможностью получения продукции в энергосберегающих и ресурсосберегающих режимах работы основного технологического оборудования, т.е. с меньшими потерями исходного сырья при получении готового продукта, с меньшими энергетическими затратами на проведение заданной технологической операции. Не менее важна и задача снижения габаритов аппарата и его металлоёмкость.
Всё выше перечисленное позволяет снизить капитальные и текущие затраты на организацию производства и текущие затраты на производство готовой продукции.
Таким образом, создание малогабаритных, высокоинтенсивных аппаратов для проведения этих технологических процессов в ресурсо- и энергосберегающих режимах их работы является актуальной задачей для пищевых отраслей промышленности.
Цели и задачи исследования. Целью данной работы является изучение гидродинамических процессов в рабочем объёме кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата (КСИА) в энерго- и ресурсосберегающих режимах его работы и создание научно-обоснованной методики его расчёта.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:
- собрать, проанализировать и обобщить данные, имеющиеся в научно-технической и патентной литературе, касающиеся изучения механизма уноса газа свободными струями жидкости и движения многофазной смеси по трубам КСИА в начальном установившемся режиме его работы;
- разработать физическую модель механизма уноса газа свободными струями жидкости в условиях низких скоростей истечения жидкости из сопел, дать её математическое описание и выполнить экспериментальную проверку полученных уравнений;
- разработать физическую модель механизма движения многофазной смеси по трубам КСИА, выполнить математическое её описание и экспериментальную проверку полученных уравнений;
- экспериментально проверить возможность движения трёхфазных потоков в трубах КСИА при различных концентрациях твёрдой фазы и выполнить количественную оценку значений уноса газа свободными струями из водно-зерновых суспензий;
- разработать инженерную методику гидравлических расчётов КСИА при его работе в ресурсо- и энергосберегающем режиме.
Научная новизна данной работы заключается в следующем:
- выполнены комплексные исследования механизма образования и движения многофазных потоков в трубах КСИА в условиях начального установившегося режима;
- разработана модель механизма уноса газа и получено уравнение для расчёта уноса газа в опускную трубу в условиях начального установившегося режима работы КСИА;
- определены границы режимов работы КСИА с частичной ре-циркуляцией газовой фазы, получено уравнение для расчёта минимальной приведённой скорости жидкости в трубах;
- выполнено научное обоснование целесообразности проведения процессов физической абсорбции чистых газов в жидкости в начальном установившемся режиме работы КСИА;
- на основе представленной физической модели выполнено математическое описание движения газожидкостной смеси в опускной трубе в условиях начального установившегося режима;
- получены экспериментальные данные по уносу газа двухфазными жидкостными средами (система жидкость – твёрдые частицы).
Практическая значимость работы.
Технические решения КСИА в условиях начального установившегося режима его работы, конструкция экспериментальной установки и методика проведения эксперимента внедрена в учебный процесс в лекционном курсе дисциплины «Экспериментальные методы исследования гидромеханических процессов пищевых производств» при подготовки магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» по профилю подготовки «Процессы и аппараты пищевых производств» очной формы обучения, а также по дисциплине «Оборудование и процессы микробиологических производств» студентов обучающихся по специальности 260602 и 260101 «Пищевая инженерия малых предприятий по переработке сырья растительного происхождения» очной и заочной формы обучения.
Методика проведения экспериментов и экспериментальная установка внедрены в лабораторный практикум научно-исследовательских работ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов СПбГУНиПТ 2008-2011 гг.; «Проблемы техники и технологии пищевых производств». Санкт-Петербург 2008 г.; научно-практическая конференция, посвящённая 15-летию технологического факультета Воронежского ГАУ имени Глинки «Актуальные проблемы развития технологии производства продуктов питания». Воронеж 2008 г.; журнал «Известия вузов. Пищевая технология». Краснодар 2010 г.; международная научно-техническая интернет – конференция «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах». Воронеж 2011г.; журнал «Новые технологии». Майкоп 2011 г. А также издавались в электронном научном журнале «Процессы и аппараты пищевых производств». Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2011 г.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Научное обоснование целесообразности проведения процессов абсорбции чистых газов в начальном установившемся режиме работы КСИА.
2. Эмпирические зависимости для определения границ области работы КСИА в начальном установившемся режиме.
3. Теоретические и эмпирические зависимости для расчёта диаметра струи при работе КСИА в тупиковом режиме по газовой фазе и проточном по жидкостной (начальном установившемся режиме).
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, касающиеся изучения, уноса газа в опускную трубу, определения коэффициентов местных сопротивлений циркуляционного контура при работе КСИА в начальном стационарном режиме.
5. Полуэмпирические зависимости для определения коэффициентов сопротивления циркуляционного контура при работе КСИА в начальном установившемся режиме и в проточном с рециркуляцией газа из подъёмной трубы в опускную.
6. Экспериментальные результаты по оценке уноса газа струями, образованными водно-зерновой суспензией, в трубы КСИА.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы и 2 приложений.
Содержание работы изложено на 97 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 7 таблиц. В списке литературы 96 источников, в том числе 45 иностранных.
В пищевой и микробиологической отраслях промышленности гидродинамика газожидкостных и трёхфазных потоков во многом определяет интенсивность сорбционных и теплообменных процессов, а именно: на пивоваренных предприятиях – процессы варки пивного сусла и его брожения, спиртовых заводов – процессы механико-ферментативной обработки зернового сырья, его осахаривания и сбраживания, на дрожжевых заводах – процессы культивирования микроорганизмов, на заводах производящих безалкогольную продукцию – процессы сатурации напитков на основе воды молочной сыворотки или фруктовых и овощных соков, на сахарных заводах – процессы сульфитации и сатурации при производстве сахара.
Производство многих безалкогольных напитков, пива, шипучих вин и т. п. связано с обязательным насыщением их диоксидом углерода. От качества газирования напитков зависят вкус, аромат, пенистость и игристость напитков. Газирование напитков протекает либо в изотермических условиях, когда в предварительно охлаждённый продукт подаётся CO2, либо при переменной температуре в процессе охлаждения напитка. И в том и другом случае при гидравлическом расчёте необходимо учитывать наличие двух фаз.
Эффективность проведения перечисленных выше технологических процессов во многом определяет рентабельность промышленных предприятий, делает конкурентно способной выпускаемую ими продукцию.
С другой стороны, эффективность проведения технологических процессов определяется возможностью получения продукции в энергосберегающих и ресурсосберегающих режимах работы основного технологического оборудования, т.е. с меньшими потерями исходного сырья при получении готового продукта, с меньшими энергетическими затратами на проведение заданной технологической операции. Не менее важна и задача снижения габаритов аппарата и его металлоёмкость.
Всё выше перечисленное позволяет снизить капитальные и текущие затраты на организацию производства и текущие затраты на производство готовой продукции.
Таким образом, создание малогабаритных, высокоинтенсивных аппаратов для проведения этих технологических процессов в ресурсо- и энергосберегающих режимах их работы является актуальной задачей для пищевых отраслей промышленности.
Цели и задачи исследования. Целью данной работы является изучение гидродинамических процессов в рабочем объёме кожухотрубного струйно-инжекционного аппарата (КСИА) в энерго- и ресурсосберегающих режимах его работы и создание научно-обоснованной методики его расчёта.
Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:
- собрать, проанализировать и обобщить данные, имеющиеся в научно-технической и патентной литературе, касающиеся изучения механизма уноса газа свободными струями жидкости и движения многофазной смеси по трубам КСИА в начальном установившемся режиме его работы;
- разработать физическую модель механизма уноса газа свободными струями жидкости в условиях низких скоростей истечения жидкости из сопел, дать её математическое описание и выполнить экспериментальную проверку полученных уравнений;
- разработать физическую модель механизма движения многофазной смеси по трубам КСИА, выполнить математическое её описание и экспериментальную проверку полученных уравнений;
- экспериментально проверить возможность движения трёхфазных потоков в трубах КСИА при различных концентрациях твёрдой фазы и выполнить количественную оценку значений уноса газа свободными струями из водно-зерновых суспензий;
- разработать инженерную методику гидравлических расчётов КСИА при его работе в ресурсо- и энергосберегающем режиме.
Научная новизна данной работы заключается в следующем:
- выполнены комплексные исследования механизма образования и движения многофазных потоков в трубах КСИА в условиях начального установившегося режима;
- разработана модель механизма уноса газа и получено уравнение для расчёта уноса газа в опускную трубу в условиях начального установившегося режима работы КСИА;
- определены границы режимов работы КСИА с частичной ре-циркуляцией газовой фазы, получено уравнение для расчёта минимальной приведённой скорости жидкости в трубах;
- выполнено научное обоснование целесообразности проведения процессов физической абсорбции чистых газов в жидкости в начальном установившемся режиме работы КСИА;
- на основе представленной физической модели выполнено математическое описание движения газожидкостной смеси в опускной трубе в условиях начального установившегося режима;
- получены экспериментальные данные по уносу газа двухфазными жидкостными средами (система жидкость – твёрдые частицы).
Практическая значимость работы.
Технические решения КСИА в условиях начального установившегося режима его работы, конструкция экспериментальной установки и методика проведения эксперимента внедрена в учебный процесс в лекционном курсе дисциплины «Экспериментальные методы исследования гидромеханических процессов пищевых производств» при подготовки магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» по профилю подготовки «Процессы и аппараты пищевых производств» очной формы обучения, а также по дисциплине «Оборудование и процессы микробиологических производств» студентов обучающихся по специальности 260602 и 260101 «Пищевая инженерия малых предприятий по переработке сырья растительного происхождения» очной и заочной формы обучения.
Методика проведения экспериментов и экспериментальная установка внедрены в лабораторный практикум научно-исследовательских работ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов СПбГУНиПТ 2008-2011 гг.; «Проблемы техники и технологии пищевых производств». Санкт-Петербург 2008 г.; научно-практическая конференция, посвящённая 15-летию технологического факультета Воронежского ГАУ имени Глинки «Актуальные проблемы развития технологии производства продуктов питания». Воронеж 2008 г.; журнал «Известия вузов. Пищевая технология». Краснодар 2010 г.; международная научно-техническая интернет – конференция «Энергосберегающие процессы и аппараты в пищевых и химических производствах». Воронеж 2011г.; журнал «Новые технологии». Майкоп 2011 г. А также издавались в электронном научном журнале «Процессы и аппараты пищевых производств». Санкт-Петербург: СПбГУНиПТ, 2011 г.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Научное обоснование целесообразности проведения процессов абсорбции чистых газов в начальном установившемся режиме работы КСИА.
2. Эмпирические зависимости для определения границ области работы КСИА в начальном установившемся режиме.
3. Теоретические и эмпирические зависимости для расчёта диаметра струи при работе КСИА в тупиковом режиме по газовой фазе и проточном по жидкостной (начальном установившемся режиме).
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, касающиеся изучения, уноса газа в опускную трубу, определения коэффициентов местных сопротивлений циркуляционного контура при работе КСИА в начальном стационарном режиме.
5. Полуэмпирические зависимости для определения коэффициентов сопротивления циркуляционного контура при работе КСИА в начальном установившемся режиме и в проточном с рециркуляцией газа из подъёмной трубы в опускную.
6. Экспериментальные результаты по оценке уноса газа струями, образованными водно-зерновой суспензией, в трубы КСИА.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, списка использованной литературы и 2 приложений.
Содержание работы изложено на 97 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 7 таблиц. В списке литературы 96 источников, в том числе 45 иностранных.
1. Выполнено научное обоснование целесообразности проведения массообменных процессов между газом и жидкостью в КСИА в условиях начального режима его работы.
2. Определена нижняя граница начального устойчивого режима работы КСИА. Получено уравнение для оценки начала уноса газа свободными струями жидкости.
3. Разработана и экспериментально проверена модель уноса газа свободными струями жидкости, учитывающая влияние силы тяжести на скорость струи в точке её входа в объём жидкости. Дано её математическое описание (уравнения (2.11÷2.13)).
4. Выполнены комплексные исследования по изучению геометрической формы и размеров свободных струй аналитическим и фотографическим методами. Показано, что уравнение (2.13) достаточно точно описывает экспериментальные данные по оценке dс (расхождение 6,3%).
5. Экспериментально определён расход газа в опускной трубе в условиях начального режима работы (уравнение 2.4).
6. Впервые представлена графическая зависимость уноса газа в трубы КСИА для всех трёх режимов его работы (рис. 3.16)
7. Основываясь на уравнениях баланса сил в двух сечениях циркуляционного контура КСИА (уравнение 1.81) и аддитивности гидравлических сопротивлений движению двухфазного потока в нём (уравнение 1.82) получена зависимость для оценки коэффициента сопротивления контура ξк. Экспериментальная проверка расчётных значений ξк по этим уравнениям показала удовлетворительное расхождение (± 20%).
8. Впервые проведены экспериментальные исследования по определению уноса газа в опускные трубы КСИА свободными струями водно-зерновой суспензии при различных содержаниях твёрдой фазы в жидкости. Представлено регрессионное уравнение (4.4) для расчёта Qг.
9. На основе полученных зависимостей разработана инженерная методика гидродинамических и конструкционных расчётов КСИА.
2. Определена нижняя граница начального устойчивого режима работы КСИА. Получено уравнение для оценки начала уноса газа свободными струями жидкости.
3. Разработана и экспериментально проверена модель уноса газа свободными струями жидкости, учитывающая влияние силы тяжести на скорость струи в точке её входа в объём жидкости. Дано её математическое описание (уравнения (2.11÷2.13)).
4. Выполнены комплексные исследования по изучению геометрической формы и размеров свободных струй аналитическим и фотографическим методами. Показано, что уравнение (2.13) достаточно точно описывает экспериментальные данные по оценке dс (расхождение 6,3%).
5. Экспериментально определён расход газа в опускной трубе в условиях начального режима работы (уравнение 2.4).
6. Впервые представлена графическая зависимость уноса газа в трубы КСИА для всех трёх режимов его работы (рис. 3.16)
7. Основываясь на уравнениях баланса сил в двух сечениях циркуляционного контура КСИА (уравнение 1.81) и аддитивности гидравлических сопротивлений движению двухфазного потока в нём (уравнение 1.82) получена зависимость для оценки коэффициента сопротивления контура ξк. Экспериментальная проверка расчётных значений ξк по этим уравнениям показала удовлетворительное расхождение (± 20%).
8. Впервые проведены экспериментальные исследования по определению уноса газа в опускные трубы КСИА свободными струями водно-зерновой суспензии при различных содержаниях твёрдой фазы в жидкости. Представлено регрессионное уравнение (4.4) для расчёта Qг.
9. На основе полученных зависимостей разработана инженерная методика гидродинамических и конструкционных расчётов КСИА.