ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ
ПІРОЖЕНКО ІННА АНАТОЛІЇВНА
УДК 532.695; 538.953
ГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОВІ ЕФЕКТИ В
ЦИЛІНДРИЧНОМУ РОТОРНО-ПУЛЬСАЦІЙНОМУ АПАРАТІ
Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Київ – 2005
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, м. Київ.
Науковий керівник: доктор технічних наук
Басок Борис Іванович,
Інститут технічної теплофізики НАН України,
заступник директора з наукової роботи.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Василенко Сергій Михайлович,
Національний університет харчових
технологій МОН України,
завідувач кафедрою теплотехніки.
кандидат технічних наук,
Грабов Леонід Миколайович,
Інститут технічної теплофізики НАН України,
провідний науковий співробітник.
Провідна установа: Національний технічний університет України
„Київський політехнічний інститут”,
теплоенергетичний факультет, м. Київ.
Захист відбудеться 7 червня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 при Інституті технічної теплофізики Національної академії наук за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту технічної
теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2а.
Автореферат розісланий 5 травня 2005 р.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат технічних наук О.І. Чайка
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи.
У харчовій, переробній, хімічній та фармацевтичній промисловості для інтенсифікації процесів перемішування, емульгування, змішування, диспергування та гомогенізації гетерогенних систем ефективно використовуються роторно-пульсаційні апарати (РПА) циліндричного типу, що являють собою систему нерухомих та обертових перфорованих циліндрів.
У зазначених апаратах реалізується метод дискретно-імпульсного введення та трансформації енергії (ДІВЕ), який розроблений в Інституті технічної теплофізики НАН України. Для РПА в якості основних робочих елементів ДІВЕ як локальних мікроджерел попередньо акумульованої енергії можна відзначити наступні: парова бульбашка, парова порожнина, кумулятивний мікрострумінь та елементарний об’єм турбулентності. Ці елементи призводять до реалізації в РПА таких теплофізичних ефектів: локального спаду або локального підвищення тиску, локального адіабатичного закипання; гідравлічного удару; потужного зсувного напруження; локальної турбулентності потоку та ефектів кавітації. Зазначені явища значно інтенсифікують гідродинамічний вплив на середовище, що оброблюється, та супроводжуються суттєвою дисипацією енергії.
Аналіз робіт з дослідження гідродинамічних та теплових процесів в роторно-пульсаційних апаратах свідчить, що раніше були виявлені лише гідравлічні закономірності роботи РПА, встановлені епюри швидкостей в одномірній постановці задачі, визначені кінематичні та динамічні характеристики РПА. Теплові характеристики апаратів практично не були вивчені. Сукупність наявних теоретичних та експериментальних досліджень гідравлічних характеристик і процесів диспергування отримано для низьков’язких систем. У зв’язку з цим постає необхідність комплексного аналізу явищ, що мають місце в РПА, і їх реалізація для процесів гомогенізації систем високої в’язкості. В технологічному та прикладному аспектах актуальним є інтенсифікація гідродинаміки і теплообміну та вдосконалення теплотехнологій з метою енерго- та ресурсозаощадження.
Зв’язок з постановами, програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота є узагальненням результатів досліджень, які проведено у відповідності з планами науково-дослідних робіт: „Вивчення теплофізичних та гідродинамічних основ дискретно-імпульсного введення енергії з ме-тою створення нанотехнологічних процесів” (номер державної реєстрації №0102U00219), „Дослідження теплообмінних та гідроди-намічних процесів в реологічних гетерогенних середовищах при їх обробці в роторно-пульсаційних та грануляційних апаратах” (№0103U005531), „Розробка теплотехнічних основ енергозбері-гаючих технологій та обладнання для одержання нових видів продукції сухих харчових сумішей та добавок” (№0100U002754), „Дослідити сумісні процеси подрібнення, гомогенізації та дегазації багато-фазних рідинних систем” (№0100U004838), „Дослідити та відпрацювати методи керованого отримання прямих та зворотних емульсій; розробити технологію та обладнання для одержання емульсій заданого типу з багатокомпонентних білково-жирових сумішей” (№ 0100U004839), „Дослідження диспергування пастоподібних матеріалів в роторно-пульсаційних апаратах” (№0101U002812). Робота виконана також за сприяння державного фонду фундаментальних досліджень України за проектом „Дослідження та інтенсифікація процесів тепломасообміну в обертових пульсуючих потоках гетерогенних дисперсних середовищ” (№0103U006674).
Мета роботи полягає в проведенні комплексних досліджень гідродина-міки, теплових процесів та ефектів диспергування при обробці рідинних систем в РПА циліндричного типу і розробці на цій основі ефективної енергоощадної технології та обладнання для гомогенізації біологічних систем високої в’язкості.
Завдання досліджень для досягнення поставленої мети:
· теоретично дослідити теплові ефекти та гідродинаміку потоку однокомпонент-ної рідини при її обробці в РПА в одномірній та двомірній постановках задачі, включаючи вивчення структури потоку та його нестійкості;
· створити експериментальний стенд та дослідити теплові ефекти і гідравлічні характеристики РПА при обробці систем різної в’язкості. Експериментально визначити напірні, витратні та енергетичні характеристики апарата при різному компонуванні роторного вузла;
· вивчити можливість використання різних РПА циліндричного типу в технологічних процесах гомогенізації біологічних систем;
· на прикладі соєвої пасти експериментально дослідити процес термовологої обробки та гомогенізації в РПА середовищ високої в’язкості;
· дослідити теплофізичні, фізико-хімічні та структурно-механічні властивості соєвої пасти, отриманої в результаті роторно-пульсаційної обробки;
· оцінити енергетичну та економічну ефективність роботи РПА при обробці високов’язких середовищ типу соєвої пасти.
Об’єкт дослідження – роторно-пульсаційний апарат циліндричного типу.
Предмет дослідження – гідродинаміка, теплові ефекти, явища диспергування.
Модельні середовища – вода, гіпотетичні рідини із в’язкістю 1, 3,
10·10-5 м2/с, масло рослинне, соєва паста.
Методи дослідження – методи фізичного моделювання гідродинаміки і теплообміну в рідинних середовищах; експериментальні методи з використанням сучасних засобів вимірювального комплексу та статистичної обробки даних; методи оптичної, електронно-растрової і електронно-просвітлювальної мікроскопії.
Наукова новизна одержаних результатів. У роботі вперше отримані та-кі наукові результати:
1. Виявлено особливості структури потоку рідини в РПА циліндричного типу, а саме вихрові утворення в зазорах та прорізях РПА, що забезпечують високу технологічну ефективність апаратів.
2. За результатами експериментальних досліджень при номінальному (n=47 об/с) та змінному (n=0ч100 ?б/с) числі обертів двигуна апарата типу ТФ-2 встановлено:
- залежності напору, витрати та споживаної потужності при різному компонуванні роторно-пульсаційного вузла;
- гідравлічні характеристики апарата при обробці середовищ різної в’язкості;
- температурні нагріви та діапазони зміни температур у режимі повної рециркуляції протягом визначеного часу при обробці модельних середовищ різної в’язкості.
3. На основі дослідження теплофізичних, структурно-механічних та фізико-хімічних властивостей соєвої пасти визначено, що вона є в’язкопластичною тиксотропною системою з реологічним гістерезисом. Час структурної релаксації пасти не перевищує 10 с.
4. Досліджено ефективність диспергування середовищ рослинного походження в РПА. Встановлено, що обраний режим обробки рослинної сировини в РПА дозволяє здійснити подрібнення бобів сої по наномасштабних міжклітинних областях.
Достовірність результатів забезпечується коректністю, повнотою та адекватністю фізичних припущень в постановці задач, застосуванням сучасних засобів вимірювального комплексу, а також методів статистичної обробки експериментальних даних та підтверджується задовільним збігом результатів розрахунків з отриманими експериментальними даними.
Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в: наданні рекомендацій щодо застосування конкретних типів апаратів для переробки широкої гами біологічних високов’язких систем; дослідженні властивостей нового продукту рослинного походження – соєвої пасти, яку отримано шляхом гомогенізації в РПА; розробці технічної документації на високодисперсні пасти та концентрати з фруктової та овочевої сировини.
Впровадження результатів роботи проведено на 6 підприємствах пере-
робної та харчової промисловості України. Успішна експлуатація устаткування свідчить про його відповідність потребам і попиту сучасного ринку.
Особистий внесок здобувача в опублікованих у співавторстві наукових працях полягає у постановці задач, визначенні крайових умов та вихідних даних; проведенні розрахунків та зіставленні теоретичних результатів з дослідними даними; створенні експериментального стенду для дослідження гідравлічних та теплових характеристик РПА; розробці експериментальних методик досліджень, проведенні експериментальних досліджень та статистичній обробці отриманих результатів; вивченні мікроструктури та дисперсного аналізу гетерогенних середовищ; узагальненні пропозицій; участі у впровадженні та патентуванні розробок; підготовці та опублікуванні результатів досліджень.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на міжнародних конференціях: „Проблеми промислової теплотехніки”
(м. Київ, 2001 р., 2003 р.), „Енергоощадність” (м. Львів, 2001 р., 2003 р.), „Прог-ресивна техніка і технологія–2002” (м. Севастополь, 2002 р.), “Problems of liquid materials” (Кyiv, 2001), на науково-технічній конференції: „Проблеми створення нових машин та технологій” (м. Луганськ, 2001 р.), на науково-практичній конференції молодих вчених „Теплоенергетика: моделювання, оптимізація, енерго-
ощадність” (м. Київ, 2004 р.) та на наукових семінарах ІТТФ НАН України.
Публікації. Зміст дисертаційної роботи відображено в 29 наукових працях: у тому числі у 10 статтях у фахових наукових журналах, у 12 тезах міжнародних та всеукраїнських конференцій, у 7 деклараційних патентах.
Структура роботи. Робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків; викладена на 166 сторінках основного тексту, на 13 сторінках додатків; містить 58 рисунків та 15 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано наукову та практичну актуальність дисертаційної роботи; визначено зв’язок з науковими програмами; сформульовано мету роботи та конкретні задачі досліджень для її досягнення; наведено загальну характеристику роботи, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів.
У першому розділі наведено технології та апарати для перемішування і гомогенізації середовищ різної в’язкості, їх класифікацію; принцип дії та переваги роторно-пульсаційних апаратів циліндричного типу. Розглянуто основні робочі елементи і теплофізичні процеси методу ДІВЕ, що реалізується в РПА; запропоновано новий робочий елемент принципу ДІВЕ – одиночний вихор. Представлено огляд літературних джерел стосовно наявних теоретичних та експериментальних досліджень гідродинаміки, теплообміну, відцентрової нестійкості потоку та процесів диспергування рідинних систем в роторно-пульсаційних апаратах циліндричного типу.
Другий розділ роботи присвячений одномірному та двомірному моделюванню динаміки рідини та теплової дисипації енергії в циліндричному РПА, робочий орган якого містить послідовно статор, ротор, статор.
Аналіз відцентрової нестійкості потоку рідини в міжциліндрових зазорах РПА при обробці рідин різної в’язкості показав, що течія рідини нестійка в міжциліндрових зазорах, утворених нерухомим зовнішнім та обертовим внутрішнім циліндрами. Нестійкість течії супроводжується утворенням вихорів Тейлора для РПА типів ТФ-2, БГТ та БГ-3 (табл. 1) при обробці рідин в’язкістю 10-6 м2/с, а для РПА типу БГТ - при обробці рідин в’язкістю 10-5 м2/с та більше. Область довжини хвилі, у якій для досліджуваних типів РПА вихори Тейлора стійкі, не перевищує л/д=2±0,58 (рис. 1). Встановлений факт існування вихорів Тейлора дозволяє уточнити кінематичну схему потоків із врахуванням системи тороїдальних вихорів Тейлора в зовнішньому міжциліндровому зазорі (рис. 2). В апараті типу ТФ-2 критерій втрати стійкості потоку води найменший, а при обробці середовищ із в’язкістю більше 10-3 м/с2 течія зберігає стійкість. Це дозволяє зробити припущення для подальших розрахунків, що рух в’язкої рідини в РПА ламінарний.
Рис. 1. Діаграма стійкості закритичних вихорів Тейлора в залежності від довжини хвилі при =0 та з=0,727 для різних типів РПА. Позначення: 0, x – [Burkhalter J.E.], 1 – межа стійкості течії Куетта [Chandrasekhar S.]
Рис. 2. Вихрова схема в РПА типу ТФ-2.
Дослідження процесів гідродинаміки в одномірній постановці проведено для характерної ділянки РПА, що наведена на рис. 3. В робочу зону апарата рідина надходить з області з тиском Ро, робить складний обертально-поступальний рух під дією перепаду тиску ?Рl=Ро–Р1, послідовно проходячи прорізі внутрішнього статора 1, ротора 2 та зовнішнього статора 3, і поступає в область Рl.
Рівняння одномірного нестаціонарного руху нестисливої рідини в РПА:
. (1)
Використовуючи емпіричні формули для коефіцієнтів гідравлічних втрат було проведено чисельне моделювання процесу динаміки рідини із врахуванням квазістаціонарності процесу для ділянки постійного перетину l=2lс+lр з даними: l=10-2 м; dекв=5I10-3 м; с=103 кг/м3; Т=0,33I10-3с; н=(1; 3; 10)I10-5 м2/с для значень перепаду тиску ?Рl=4; 8; 16 кПа. В якості початкових умов прийнято =0 при ф=0.. Розрахунки по ф проводилися циклічно до виходу процесу на стаціонарний режим з кроком ?ф=0,33·10-6 с.
Рис. 3. Схема характерної ділянки РПА Рис. 4. Розрахункова схема РПА
для одномірної задачі. для двомірної задачі.
У результаті варіантних розрахунків отримані залежності (рис. 5) швидкості та прискорення рідини в прорізях від часу. Основною властивістю потоку рідини в РПА є пульсаційний характер руху, причому в межах одного періоду швидкість плавно наростає до максимального значення 0,62 м/с і різко падає до мінімального значення 0,12 м/с. В період падіння швидкості відбувається різке гальмування потоку, що через сили інерції мас рідини викликає появу імпульсів тиску (позитивних і негативних) у зонах до і після перетину ротора.
Залежності середньої швидкості від перепаду тиску для різної в'язкості рідини наведено на рис. 6. Ця залежність, крім області малих ?Рl, близька до лінійної. При збільшенні в?язкості в 10 разів швидкість зростає в 1,5...1,6 рази, що свідчить про не дуже істотний вплив в'язкості.
Вивчення структури потоку, зокрема вихрового характеру течії рідини, проводилося моделюванням його динаміки в РПА на основі рівнянь Нав’є-Стокса.
Рис. 5. Характер пульсаційного руху Рис. 6. Витратно-напірні характеристики
рідини в прорізях РПА при ?Рl=16 кПа; при значеннях в’язкості н, 10-5•м2/с:
сер=0,44 м/с; Re=73; н=3·10-5 м2/с: 1 – 1 – 1; 2 – 3; 3 – 10.
(), м/c, 2 – d/d, м/c2.
Двомірний рух рідини в робочій зоні (рис. 4) при обертанні ротора з кутовою швидкістю відбувається в площині, де задана полярна система координат r–. Система рівнянь динаміки рідини має вигляд:
;
,
де , , – відповідно нормальний тангенціальний, радіальний та дотичний компоненти тензору напруження.
Приведення до безрозмірного вигляду рівнянь виконані із заміною:=r; V'=r/(рr0); '=/р; R'=r/r0; T'=р; P'=(P–Po)/( р2r02); Re=рr02/ . Встановлено граничні та початкові умови: rс1,о<r<rс2,1: V(r, о)=V(r, о+2); '(r, о)= '(r, о+2); P'(r, о)=P'(r, о+2); о<<о+2 : P'(rс2,1, )=P1; P'(rс1,о, )=Pо; при ф=0: V'=0, '=0 – для простору, що зайнятий рідиною, і '=1 – на поверхнях ротора. Система рівнянь складена щодо системи координат, зв'язаної з нерухомими статорами. При отриманні полів тиску систему координат було зв’язано з обертовим ротором, положення якого в області abcd (рис. 4) змінювалося в часі. Для нестаціонарної задачі задавалися наступні початкові умови: V', ', P' і '=0, р=0, Р=Ро-Р1 =0 при ф=0.
При проведенні серії варіантних розрахунків враховувались конструкторські характеристики РПА: 2rсер=100 мм, bc=5 мм, bр=3 мм, =0,20 мм, =3000 об/хв, т=60, період пульсацій Т=0,33·10-3с. Фізичні властивості модельної ньютонівської рідини: =103 кг/м3, кінематичний коефіцієнт в'язкості =(1; 3; 10)·10-5 м2/с. Значення зовнішнього перепаду тиску приймалися рівними Р=Ро-Р1= –10; 0; +10 кПа, причому тиск на вході Ро=0.
Особливості структури потоку рідини в РПА визначаються за полями тиску, прискорення та швидкості (рис. 7, 8, 9). Зміна тиску в різних ділянках робочого простору, що зображена на рис. 7, носить пульсаційний характер. Амплітудні значення пульсаційного тиску в потоці по осі прорізі на виході з першого і вході в другий статор близькі по величині і практично збігаються із середніми значеннями тиску в цих перетинах в момент перекриття прорізей та складають при Р=0 і =3·10-5 м2/с близько 20 кПа, що трохи нижче, ніж за одномірною моделлю. Ло-
кальні значення тиску в зонах входу і виходу рідини з зазорів у цих умовах змінюються від +45 до –24 кПа. Останнє значення визначає зону, у якій за певних умов може реалізуватися кавітація та адіабатичне закипання нагрітої рідини.
Рис. 7. Поля тиску при Р=0; =0,1 Пас; =103 кг/м3. Значення перепаду (Р–Ро)
в ізолініях: 1 – -24; 2 – -10; 3 – +5; 4 – +20; Рис. 8. Поля прискорень при Р=10 кПа;
5 – +35; 6 – +45 кПа. = 3010-6 м2/с.
Приведені на рис. 8 поля прискорення свідчать, що при повному перекритті прорізей ротора та статора найбільш значні прискорення порядку 1…8•105 м/с2 знаходяться поблизу верхньої та нижньої кромок ротора та поблизу правої внутрішньої кромки прорізі зовнішнього статора. В цих точках значення прискорення стрибкоподібно зростають та знову зменшуються до попередніх значень, викликаючи появу суттєвих зсувних напружень.
Для крайніх значень перепадів тиску на рис. 9 зображені поля швидкості з приведеними на шкалі значеннями средньоінтегральної транзитної швидкості рідини. На рис. 9 чітко помітний вихровий характер руху рідини в каналах з досить високими локальними швидкостями (на рівні 3...5 м/с, а в окремих зонах до 10 м/с) при порівняно низьких швидкостях транзитного потоку (від 0,125 до 0,665 м/с). Локальні значення швидкості рідини в зазорах доходять до 18 м/с – кругової швидкості руху ротора, на стінках статорів залишаються рівними нулеві. Це визначає досить високий рівень градієнта швидкості і дотичних напружень тертя в зазорах. Із зростанням транзитної швидкості вихор у вхідній прорізі слабшає і зноситься потоком до його вихідного перетину, при цьому в прорізі ротора правий вихор поступово витісняється лівим, котрий заповнює весь простір прорізі. У вихідній прорізі площа та інтенсивність вихора збільшуються. Тобто рідина розганяється до кругової швидкості ротора і після проходження його прорізей надходить у зовнішній зазор, після чого зі значною тангенціальною складовою швидкості
а б
Рис. 9. Поля швидкостей при ?=3·10– 5 м2/с: а – Р= –10 кПа; Uсер=0,125 м/с; б – Р= +10 кПа; Uсер=0,665 м/с.
поступає в прорізі зовнішнього статора, вносячи в них свою кінетичну енергію, що і збільшує інтенсивність вихора. Число обертання рідини в вихорі досягає 2...3•104 об/хв.
Інша характерна риса структури потоку полягає в тому, що з ростом транзитної швидкості виникають пульсації вихрових утворень (рис. 10), тобто вихори стають істотно нестаціонарними. Швидкість в них змінюється за визначеним періодичним законом з частотою перекриття прорізей і зростаючою амплітудою, величина якої доходить до 0,3...0,35 частки від середнього значення вихрової швидкості, що складає в розглянутих умовах 3... 5 м/с.
Сукупність отриманих результатів підтверджує висновок про пульсаційний характер течії в РПА. Графіки залежності середньої по перетину швидкості від часу якісно подібні отриманим даним для одномірної моделі. Відмінність полягає в тому, що час зменшення швидкості тут більший і доходить до 0,3Т, хоча середні за часом значення цих швидкостей досить близькі.
Залежність середніх по перетину швидкостей пульсуючого потоку рідини – максимальної і мінімальної за пульсацію, а також середньоінтегральної від перепаду тиску для рідини з =3·10-5 м2/с наведено на рис. 11. Значення насосного ефекту, що розвивається апаратом, визначається в точці, в якій збігаються всі три криві при Uсер=0, і становить ?Р?14,5 кПа.
Рис. 10. Локальний модуль швидкості в Рис. 11. Вплив перепаду тиску P на
точках 1, 2, 3, що позначені на рис. 9, швидкість рідини. Позначення:
при Р= +10 кПа. 1 – ; 2 – , 3 – .
Важливою характеристикою роторно-пульсаційного апарата є середня по перетині прорізі радіальна швидкість Uсер (ф, R), яка характеризує витрату рідини через апарат. Функції, що відповідають різним значенням перепадів тисків P і різним значенням в'язкості , представлені на рис. 12, 13. Моменти часу ф, при яких функції Uсер(ф) досягають максимальних і мінімальних значень, незначно залежать від P і та складають 0,2 періоду при максимумі швидкості і 0,58... 0,6Т – при мінімумі. Зростання швидкості Uсер більш плавне, ніж її спад від максимального значення до мінімального, час якого складає 0,38 від тривалості періоду Т. Необхідно відзначити незначний вплив в'язкості на продуктивність апарата, що відповідає результатам за одномірною моделлю. При зміні в’язкості в 10 разів середньоінтегральна швидкість рідини в прорізях змінюється в 1,5...1,6 рази, що можна пояснити переважним впливом сил інерційного характеру на опір руху рідини.
Рис. 12. Зміна Uсер в часі при різних пере- Рис. 13. Зміна Uсер в часі при різних падах тиску для =0,1 Пас: 1 – Р= +10; значеннях в’язкості для Р=0 кПа:
2 – Р= 0; 3 – Р= –10 кПа. 1–=0,03; 2 – 0,1; 3 – 0,3 Пас.
Співставлення результатів чисельного двомірного моделювання з результатами за одномірною моделлю наведено на рис. 14. На рис. 14 б точками нанесені значення і (відповідно верхня і нижня точки при трьох значеннях P). Лінією представлена залежність величини середнього імпульсного тиску P* від P, який отриманий шляхом розрахунку за одномірною моделлю: , де U=UmaxUmin за період. Задовільний збіг цих величин спостерігається при значенні п=0,35T, що можна вважати рекомендацією для інженерного розрахунку таких процесів за одномірною моделлю. Розбіжність даних по
Рис. 14. Співставлення результатів розрахунку швидкості (а) та тиску (б) за одномірною (точки “0”) та двомірною моделями.
визначенню транзитної швидкості (рис. 14 а) складає лише 5%, що дозволяє для розрахунків продуктивності РПА використовувати більш просту одномірну модель.
Вивчення теплових ефектів базувалось на рівнянні збереження енергії:
(2)
де
Малий міжциліндровий зазор дозволив прийняти =0. Тоді розподіл повздовжньої швидкості u в зазорі лінійний, значення дисипативної функції Ф буде постійним, а рівняння (2) набуде вигляду:
.
Зміна температури рідини dt в часі в приймальній ємкості РПА в холостому режимі визначається рівнянням
(3)
що дозволяє розрахувати температурні нагріви середовищ різної в'язкості.
Згідно (3) зміна t залежить від величини зазору . При співставленні результатів розрахункових і експериментальних даних можна визначити значення ефективної величини . В ідеальному випадку втрати в навколишнє середовище відсутні - =0, і визначене при цьому значенні буде можливою нижньою межею. Результати розрахункових і експериментальних даних наведені на рис. 15.
Рис. 15. Порівняння експеримента-льних ( – точки) і розра-хункових значень t для води: 1 – =0,15 мм, 2 – =0,184 мм, 3 – =0,25 мм.
Задовільному збігу з експе-риментальними даними відпові-дають розрахунки при =0,184 мм, що незначно відрізняється від реальних зазорів даного РПА д=0,20 мм. Таким чином, непряме визначення є важливою уточнюючою характеристикою РПА.
У третьому розділі представлено: експериментальний стенд, визначення випадкових похибок вимірювання, методику проведення досліджень та результати дослідження гідравлічних та теплових характеристик РПА типу ТФ-2 (рис. 16).
Експериментальні дослідження проведено при зміні числа обертів двигуна від 0 до 100 об/с. У ході експериментів досліджено, по-перше, гідравлічні та
теплові характеристики при обробці води та рослинного масла в роторно-пульсаційному вузлі, що містить два статори і ротор. По-друге, гідравлічні характеристики РПА при обробці води при різному компонуванні роторно-пульсаційного вузла, а саме: вал, вал+(статор+ротор+статор), вал+ніж+(статор +ротор+статор), вал+ніж+(статор+ротор+статор)+диск із лопатками.
Рис. 16. Схема експериментальної установки: 1 – роторно-пульсацій-ний вузол, 2 – мірна ємкість, 3 – електродвигун, 4 – тахометр, 5 – перетворювач частоти, 6 – вимірювальний комплекс К-505, 7 – манометр, 8 – регулюючий трихо-довий вентиль, 9 – гнучкий трубо-провід, 10 – приймальна ємкість, 11 – витратомір, 12, 13, 14 – термоелектричні термометри, 15 – по-тенціометр, 16, 17 – диференціальні термопари, 18, 19 – мілівольтметри.
Залежності повного напору, що розвивається в РПА без втрат в гідротракті, і витрати від числа обертів двигуна при обробці середовищ різної в'язкості наведено на рис. 17. Рівняння Q=f(n) витратної характеристики РПА мають вигляд: Q=6,310-5n–0,083 для води і Q=7,210-5n–0,16 для масла, де [Q, 10-3 м3/c; n, об/с]. Прямі, що апроксимують експериментальні дані, в обох випадках не проходять
Рис. 17. Напірна (а) та витратна (б) характеристики РПА типу ТФ-2 при обробці: – води та ^ – рослинного масла.
через початок координат, що свідчить про існування підпірного режиму, що створюється в гідроконтурі до 38 об/c. Між напором і числом обертів двигуна при обробці води та масла існує квадратична залежність.
Результати гідравлічних досліджень роторно-пульсаційного апарата типу ТФ-2 при різному компонуванні робочого вузла подані на рис. 18 і свідчать про лінійну залежність між Q і n або близьку до неї при обробці води для всіх варіантів компонування. Рівняння Q=f(n) витратної характеристики РПА в повній збірці має вигляд: Q=0,0425n, [Q, 10-3 м3/c; n, об/c] при коефіцієнті кореляції 0,97.
Збільшення витратної характеристики апарата при установці на вал обертових елементів відбувається під дією виникаючого додаткового насосного ефекту, що підтверджують експериментальні дані, які наведені на рис. 18 б. Крива напірної характеристики апарата в повній збірці задовільно апроксимується рівнянням
Н=0,86n2 при коефіцієнті кореляції 0,98, [Н, м; n, об/с].
Рис. 18. Витратна (а) і напірна (б) характеристики роторно-пульсаційного апарата типу ТФ-2. Позначення: – вал+ніж+статор+ротор+статор, ^ – вал+статор+ротор+ статор, – вал+статор+ротор+статор+диск з лопатками, ¦ – РПА в повній збірці.
Важливою енергетичною характеристикою РПА є споживана електрична потужність. Експериментальні дані залежності потужності від числа обертів для РПА в повній збірці описується рівнянням: Р=0,917n3, [Р, Вт; n, об/с]. Насосний ККД апарата складає 33 %.
Результати теплових досліджень у трьох характерних точках РПА для води та масла наведені на рис. 19. При обробці води (рис. 19 а) помітне перевищення температури в корпусі роторно-пульсаційного вузла над значенням на виході з
Рис. 19. Експериментальні залежності температури від часу: а – при обробці води; б – при обробці масла: ^ – на вході в РПА, ¦ – на виході з РПА, ? – в корпусі РПА.
апарата. Це пов’язано з локальним нагрівом середовища в області обертання ротора і дисипацією енергії в навколишнє середовище на шляху до вихідного патрубка. За час обробки води протягом 3,67•103 с температура в корпусі і на виході збільшилася на 7,4С и 8,6С відповідно. Слід зазначити, що температурний нагрів води за один цикл обробки в РПА складає 0,1 С, причому спостерігається нелінійне збільшення перепаду температур між входом і виходом з апарата за рахунок впливу сил в’язкого тертя. Внаслідок цього відбувається інтенсивніше дисипація енергії при обробці рослинного масла: за час 2,49•103 с температура на виході з апарата збільшилася на 13,7 С, а в корпусі РПА – на 13,4 С. В цілому зміна температури масла між входом і виходом з апарата на порядок перевищує дані для води.
? ?????????? ??????? ?????????? ?????????? ???????????? ???????????? ??? ?????? ????? ? ???????? ????????????? ??????????? ?????????? ??????. ?? ?????? ??????????? ??????? ? ??????????? ????????? ? ?????????????? ?????????? ??? ?????? ???????????? ???? ???????????? ???????? ???????? ?????? ??????????? ??? ??????? ?????? ????????? (????. 1).
У зв’язку з великою харчовою і біологічною цінністю бобових в роботі проведено комплексні дослідження ефективності процесу диспергування в РПА таких високов'язких систем на прикладі соєвої пасти.
У відповідності з розробленою в ІТТФ НАН України технологією виробництва соєвої пасти в роботі оцінена ефективність термовологої та роторно-пульсаційної обробки сої в РПА. Фізичні властивості гомогенного продукту – соєвої пасти залежать в основному від структурних характеристик сої. У зв'язку з цим у роботі проведені мікроскопічні дослідження структури бобу сої до та після термовологої обробки (рис. 20) за допомогою електронного мікроскопу ЕМ-400Т.
Таблиця 1.
Технічні характеристики РПА для переробки високов’язких систем.
№ | Тип циліндричного РПА | Продуктивність, кг/год | Потужність, кВт | Біологічні системи
1. | ТФ-2 | 100-150 | 2,2-3 | плодові, томатна паста
2. | БГ-3 | 400-500 | 5,5 | бобові, олійні
3. | БГТ | 500-800 | 11 | бобові, плодові
4. | УПВСС | 2000 | 5,5 | плодові, томатна паста
5. | БГ | 400-2000 | 5,5 | плодові, цитрусові
На рис. 20 подані мікрофотографії повздовжнього зрізу сім'ядолі сої до термовологої обробки. Ширина міжклітинного простору складає =5080 нм, причому максимальний розмір клітин не перевищує 100 мкм, а мінімальний розмір – 40 мкм. Режим обробки рослинної сировини в РПА дозволяє здійснити подрібнення бобів сої по наномасштабних міжклітинних областях. Аналіз мікроструктури поперечного зрізу сім'ядолі термічно обробленої сої показав, що клітини не мають вже такої чіткої структури розташування. Це свідчить про те, що в результаті термовологої обробки відбувається коагуляція білкових зерен, набухання і збільшення розміру клітин, що порушує жорсткість оболонки та її структурних елементів. Крім того, в
Рис. 20. Мікроструктура бобу сої до Рис. 21. Частинки соєвої пасти після
термовологої обробки, 2000. гомогенізації, збільшення 1250.
міжклітинних просторах спостерігається локалізація ліпідів (жирових включень),
що виділилися під час термовологої обробки до гомогенізації. Середній розмір агломератів жирових включень складає 210 мкм. Основною характеристикою якос-ті гомогенізованої соєвої пасти є ступінь дисперсності, який визначався методом оптичної мікроскопії. Зображення проб пасти в мікроскопі "Opton" аналізувалося автоматичною системою для оптичних зображень “IBAS-2000”. Мікрофотографії часток соєвої пасти, отриманої на апаратах типу БГ-3 подані на рис. 21. Частинки мають форму, що аналогічна формі клітин сої до обробки. Це дозволяє прийняти дисперговані частинки за одиночні рослинні клітини сої, які оточені жировими включеннями. Можна відзначити, що в результаті обробки відбувається не тільки руйнування міжклітинної структури, але і руйнування деяких клітин (обведено колом на рис. 21), що забезпечує вихід усіх поживних речовин клітини.
Результати статистичної обробки даних наведені на рис. 22 а. Можна відзначити, що при роторно-пульсаційній обробці сої в РПА відбувається повне руй- нування бобу сої на дезінтегровані частинки з розміром, що відповідає або менший за розмір клітин, тобто в середньому складає 45 мкм. Зіставлення ступеня
Рис. 22. Гістограми розподілу частинок за середнім розміром: а – частинок пасти, б – частинок соєвого масла.
дисперсності крапель соєвого масла до та після роторно-пульсаційної обробки сої свідчить про суттєве зменшення середнього розміру жирових крапель на 80% до середнього розміру 0,2 мкм (рис. 22 б).
Експериментальні дослідження фізико-хімічних властивостей соєвої пасти дозволили визначити, що в г/100 г пасти міститься: білка – 16-20; жиру – 5-7; вуглеводів – 10-12; золи – 2. Вологість складає – 60-65%, густина – 1115 кг/м3. До оптимальних умов збереження пасти можна віднести термін зберігання до 10 діб без використання консервантів. Дослідження вмісту інгібітору трипсину в соєвій пасті підтвердили ефективність обраного режиму термовологої обробки. Отримані експериментальні дані свідчать про те, що обробка призводить практично до повного усунення інгібіторного впливу: вміст інгібітору трипсину в сої до обробки складає 3,5 г/100 г продукту (0,1 г у 1 г білка), а в соєвій пасті зменшується до 0,018 г/100 г продукту (0,001 г у 1 г білка).
Для розрахунків теплових характеристик та ступеня дисперсності при обробці соєвої пасти необхідні значення її в'язкості. У роботі на ротаційному віскозиметрі „Rheotest-2” проведені реологічні дослідження соєвої пасти з вологістю W=65%. Виміри проведено для різної концентрації водної фази: 5, 10, 20, 30, 60% при температурах, що відповідають технологічним режимам гомогенізації в РПА.
На рис. 23 зображені залежності напруження зсуву та динамічної в’язкості від швидкості зсуву соєвої пасти (W=65%) для різних діапазонів швидкості зсуву при температурі 40 ?С.
Рис. 23. Залежність напруження зсуву (а) та динамічної в’язкості (б) від швидкості зсуву для соєвої пасти (W=65%).
Нелінійність кривої, що наведена на рис. 23 а, є найбільш характерною особливістю в’язко-пластичних середовищ, які описуються законом:??=?0+Aгk. В табл. 2 наведені встановлені коефіцієнти даного рівняння для соєвої пасти при різних температурах, вмісту вологи та напрямку зміни зсувних напружень.
У процесі дослідження в'язкості соєвої пасти при швидкості, що зростає або зменшується, було встановлено, що цій системі властивий реологічний гістерезис. Поведінка пасти в процесі навантаження і зняття напруження дозволяє віднести даний продукт до тиксотропних систем, яким притаманне інтенсивне зворотнє руйнування структури при відхиленнях від механічної рівноваги і відновлення структури при знятті навантаження. Другою характерною особливістю реологічних властивостей соєвої пасти є наявність релаксаційних явищ у структурі. Експе-
Таблиця 2.
Коефіцієнти реологічних залежностей для соєвої пасти.
Хід
навантаження | Концентрація водної фази | Темпера-тура, t | Початко-ва в’язкість, м0 | Залежність напруження зсуву від
швидкості зсуву =0+Aгk
Величина 0 | Коефіцієнти
% | С | Па•с | Па | k | А
спад | 0 | 17 | 281,9 | 2819 | 0,264 | 3469
34 | 194,5 | 1945 | 0,361 | 1700
40 | 172,5 | 1753 | 0,361 | 1507
зростання | 20 | 15 | 274,7 | 2747 | 0,263 | 3469
40 | 164,9 | 1649 | 0,323 | 1341
зростання | 30 | 15 | 253,0 | 2530 | 0,215 | 4236
40 | 159,8 | 1598 | 0,312 | 1389
спад | 40 | 17 | 124,4 | 1245 | 0,400 | 1010
спад | 60 | 17 | 92,5 | 925 | 0,410 | 712
40 | 88,3 | 883 | 0,381 | 640
риментальні дані свідчать, що в діапазоні швидкості зсуву від 0,127 до 156 1/с час виходу напруження на сталий режим займає в середньому 10 с.
Проведені дослідження дозволили встановити залежність коефіцієнта динамічної в'язкості від температури при реальній швидкості зсуву в РПА, що дорівнює=104 с-1. Ця залежність носить лінійний характер м=–0,0088t+0,727 [м, Па•с;t, є?).
Аналіз економічної та енергетичної ефективності застосування РПА ци-
ліндричного типу при обробці високов'язких систем типу соєвої пасти показав, що при роторно-пульсаційній гомогенізації забезпечується низька собівартість пасти, а також підвищується рентабельність її виробництва за рахунок того, що виробничий цикл є безвідхідним. При річному виробництві 780 т соєвої пасти на рік в міні-цеху, що пропонується, інвестиції окупаються через півроку, а прибуток становить 554 тис. грн.
Результати:
1. Встановлено інтенсифікуючу дію робочого елемента принципу ДІВЕ – одиночного вихора. Проаналізовано області стійкості течії середовищ різної в’язкості в зазорах РПА циліндричного типу.
2. На основі розв’язку рівнянь одномірного нестаціонарного руху рідини досліджено структуру потоку в РПА. Отримані залежності швидкості та прискорення від часу; вивчено вплив в’язкості рідини на витратні характеристики апарата.
3. Проведено двомірне моделювання динаміки рідини в РПА. Отримані поля швидкостей, прискорень та тиску в робочій зоні.
4. Проведено експериментальні дослідження гідравлічних характеристик РПА типу ТФ-2 в діапазоні чисел обертів двигуна 0100 об/с при різному компонуванні роторно-пульсаційного апарата та при обробці середовищ різної в’язкості. В ході експериментальних досліджень гідравлічних та енергетичних характеристик РПА типу ТФ-2 встановлено, що для апарата в повній збірці напір досягає максимального значення 7,45 м вод. ст.; витрата – 1,52•10-3 м3/с; насосний ККД апарата складає 33 %.
5. Експериментально досліджені теплові характеристики РПА типу ТФ-2 в діапазоні чисел обертів двигуна 0100 об/с. Експериментальні дослідження свідчать про збільшення температури на виході з апарата при обробці води на 8,6 ?С та при обробці масла на 13,7 ?С протягом 40 хв. Нагрівання масла за один цикл обробки в РПА складає 1 ?С, а води - 0,1 ?С.
6. Розглянуто можливості використання циліндричних РПА різних типів в технологічних процесах гомогенізації біологічних дисперсних систем.
7. Досліджено теплофізичні, фізико-хімічні та структурно-механічні властивості соєвої пасти. Отримані реологічні залежності при різних температурах та концент-рації сухих речовин соєвої пасти. Встановлено, що соєва паста - в’язкопластична тиксотропна система.
8. Оцінено ефективність термовологої та роторно-пульсаційної обробки соєвої
пасти. Проведено структурний аналіз сої до та після термовологої обробки, а також дисперсний аналіз пасти. Встановлено, що при обробці сої в РПА відбувається повне руйнування бобу на дезінтегровані частинки розміром, який співпадає або менший за розмір клітини, тобто 50-100 мкм.
9. Економія енергії на рік при обсязі виробництва пасти 780 т складає 14 ГДж. Прибуток від роботи міні-цеху складає 554 тис. грн. на рік, термін окупності ін-вестицій становить півроку.
Висновки:
1. Досліджено властивість структури потоку, що визначає високу технологічну ефективність РПА – вихороутворення в прорізях та зазорах.
2. Результати розрахунків одномірної та двомірної моделей динаміки рідини в РПА задовільно співпадають в межах 8% по тиску і 5% по швидкості, що дозволяє для розрахунку продуктивності РПА користуватися більш простою одномірною моделлю.
3. Високий ступінь дисперсності (dсер?45 мкм) гомогенізованої пасти підтверджує ефективність РПА для обробки середовищ рослинного походження. Комплекс досліджень по мікроструктурному та дисперсному аналізу свідчить, що обраний режим обробки рослинної сировини в РПА апаратах дозволяє здійснити подрібнення бобів сої по наномасштабних міжклітинних областях.
Позначення: а – ширина прорізей та перегородок ротора і статорів; b –висота зазору; с – теплоємність; d – діаметр; g – прискорення; Н – напір; i – член, що враховує загальні гідравлічні втрати; l – координата повздовж осі прорізі; m – кількість прорізей; n – число обертів; N – кількість частинок; Р – тиск, потужність (за змістом тексту); – інтегральна радіальна швидкість; Q – об’ємна витрата; r – радіальна координата, радіус; t – температура; T – період пульсацій; , w – швидкість за напрямками; V – об’єм рідини; W – вологість; x, y, z – поточні координати; – швидкість зсуву; – ширина міжциліндрового
