HEAT AND MASS TRANSFER PROCESSES IN CONDENSING STEAM FROM THE STEAM-GAS MIXTURE ON THE HORIZONTAL FLAT SURFACE IN JACKETED APPARATUS
Authors:
1.
FSBEI HVE «Ural State University of Economics»
2.
FSBEI HVE «Ural State Agricultural University»
3.
FSBEI HVE «Ural State University of Economics»
Type:
Article
Pages:
from 103
to 107
Status:
Published
Received:
25.09.2014
Accepted:
25.09.2014
Published:
25.09.2014
Subject area:
UDK 663.01.011
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
Language:
Russian
Keywords:
Heat and mass transfer, jacketed apparatus, Nusselt number, mass transfer coefficient
Abstract (English):
The work presents the results of investigations of the heat and mass transfer process in film condensation of water vapor from the vapor environment on a flat, horizontal surface of the working chamber in the jacketed apparatus. The introduction includes a theoretical solution and calculation formulae of the condensation process under these conditions, presented in contemporary literature. The absence of objective data on steam condensation on flat horizontal surfaces of heat exchange bottoms of cooking vessels, food boilers, storage equipment, pans with indirect heating is revealed. The expediency of conducting research is shown. The techniques of conducting research based on the stationary heat flow method are considered. The original experimental stand for research of heat and mass transfer process in steam condensation on a flat surface of the working chamber of the model food boiler is presented. In processing the experimental data on heat and mass transfer, we used the value proportional to the tear off diameter of falling condensation drops, as the only possible determinant of the characteristic size of the system, included in the Nusselt number and the criterion of Archimedes. The results of determining the values of the Nusselt numbers in mass transfer under these conditions are analyzed, a graphical interpretation of the results of the experiments is provided. It is shown that the character of changes of the experimental data presented in the chart, is in good agreement with the well-known works in this field of research. The criteria dependence of the investigated process, providing an objective heat engineering of jacketed apparatus under conditions of steam condensation from vapor-gas mixture on a flat, horizontal surface is recommended.
The work presents the results of investigations of the heat and mass transfer process in film condensation of water vapor from the vapor environment on a flat, horizontal surface of the working chamber in the jacketed apparatus. The introduction includes a theoretical solution and calculation formulae of the condensation process under these conditions, presented in contemporary literature. The absence of objective data on steam condensation on flat horizontal surfaces of heat exchange bottoms of cooking vessels, food boilers, storage equipment, pans with indirect heating is revealed. The expediency of conducting research is shown. The techniques of conducting research based on the stationary heat flow method are considered. The original experimental stand for research of heat and mass transfer process in steam condensation on a flat surface of the working chamber of the model food boiler is presented. In processing the experimental data on heat and mass transfer, we used the value proportional to the tear off diameter of falling condensation drops, as the only possible determinant of the characteristic size of the system, included in the Nusselt number and the criterion of Archimedes. The results of determining the values of the Nusselt numbers in mass transfer under these conditions are analyzed, a graphical interpretation of the results of the experiments is provided. It is shown that the character of changes of the experimental data presented in the chart, is in good agreement with the well-known works in this field of research. The criteria dependence of the investigated process, providing an objective heat engineering of jacketed apparatus under conditions of steam condensation from vapor-gas mixture on a flat, horizontal surface is recommended.
Keywords:
Heat and mass transfer, jacketed apparatus, Nusselt number, mass transfer coefficient
Heat and mass transfer, jacketed apparatus, Nusselt number, mass transfer coefficient
Введение Нередко в теплообменных аппаратах пищевой промышленности и общественного питания, в частности, в аппаратах с рубашкой, процесс конденсации пара протекает на плоской горизонтальной поверхности теплообмена. Такой поверхностью, например, являются днища варочных сосудов пищеварочных котлов, емкостных аппаратов, сковород с косвенным обогревом и т.п. Как известно [1-3], процесс конденсации пара в таких условиях происходит в присутствии неконденсирующихся газов. Поэтому интенсивность конденсации пара из парогазовой смеси и происходящего при этом переноса тепла зависит от последовательно протекающих взаимосвязанных процессов: подвода пара к поверхности конденсации, собственно процесса конденсации и переноса тепла через слой конденсированной фазы. В этом случае суммарное термическое сопротивление ∑R, величину, обратную результирующему коэффициенту теплоотдачи αсм, расчленяют на термическое сопротивление конденсата Rпл, термическое сопротивление фазового перехода Rф и диффузионное термическое сопротивление Rд [4]: ΣR = Rпл +Rф +Rд. (1) Для определения коэффициента теплоотдачи при конденсации чистого пара на горизонтальной плоской поверхности можно использовать теоретические решения и расчетные формулы работы [5]. Однако определение диффузионной составляющей процесса в таких условиях наталкивается на определенные трудности. Учитывая, что конвективный перенос от парогазовой смеси к конденсату пренебрежимо мал в сравнении с выделяющейся теплотой фазового перехода, термическое сопротивление подвода пара к поверхности конденсации можно определить по формуле: , (2) где tп,о, pп,о - соответственно температура и парциальное давление пара в основной массе парогазовой смеси; tп,пов, pп,пов - соответственно температура и парциальное давление пара на границе раздела фаз; r = f(tп,пов) - теплота фазового перехода; βр - коэффициент массоотдачи от парогазовой смеси к поверхности конденсатной пленки. Отсутствие объективных данных по массо- и теплоотдаче при конденсации пара из парогазовой смеси на плоской горизонтальной поверхности обусловило целесообразность проведения дополнительных исследований. Объект и методы исследования Решение поставленной задачи проводили опытным путем. Основой экспериментального стенда, принципиальная схема которого представлена на рис. 1, являлся варочный сосуд с горизонтальным днищем 1 диаметром 380 мм, обогреваемый насыщенным водяным паром снизу. Рис. 1. Схема экспериментального стенда Генерация пара осуществлялась в парогенераторе 2 с ТЭНами 3, прикрепленном к днищу варочного сосуда. В опытный стенд также вошли: калориметр 4 с системой водоснабжения 5, предназначенный для определения теплового потока, система термометрии, служащая для измерения температур парогазовой смеси и горизонтальной поверхности теплообмена, 8, 13, 14, электрическая схема с приборами 6, позволяющая регулировать тепловую мощность, система откачивания воздуха из паровой полости 7. Измерение температуры парогазовой смеси и днища варочного сосуда проводилось с помощью термопар 8 с хромель-копелевым кабелем диаметром 0,2 мм, термостатированием свободных концов 15 и потенциометром типа ПП-63 поз. 9 класса точности 0,05. Экспериментальные исследования процесса теплоотдачи из парогазовой смеси базировались на методе стационарного теплового потока как наиболее полно отвечающем требованиям поставленной задачи [6]. С момента наступления стационарного режима работы стенда, определяемого по автоматическому потенциометру КСП-4 поз. 14, производили фиксацию температур горячих спаев термопар и термометров 13, измеряли массовый расход воды через калориметр с помощью мерного сосуда 10 и весов 11, а также определяли давление в парогазовой области по манометру 12. Измерения проводили при различной подводимой тепловой мощности. Результаты и их обсуждение Обработку опытных данных проводили в соответствии с рекомендациями работы [7]. Тепловой поток, передаваемый через горизонтальное днище и воспринимаемый калориметром, определяли по формуле Q = Gв · Cрв · (tв2 -tв1), (3) где Gв - массовый расход воды через калориметр; Cрв - удельная теплоемкость воды при постоянном давлении; tв1, tв2 - соответственно температура воды на входе в калориметр и выходе из него. В этом случае результирующий коэффициент телоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси на горизонтальной поверхности варочного сосуда рассчитывали с помощью закона Ньютона-Рихмана: (4) где F - площадь днища варочного сосуда; tп,о - среднеобъемная температура основной массы парогазовой смеси; tс - средневзвешенная температура поверхности днища со стороны паровой полости. Как и в работе [2], при обработке опытных данных по массообмену использовали систему критериев вида , (5) где - критерий Нуссельта диффузионный; - критерий Архимеда; - концентрация воздуха в основной массе парогазовой смеси; - безразмерная разность парциальных давлений пара. В представленных выше критериях входят физические величины, расшифровка и методика определения которых приведены ниже. 1) Коэффициент массоотдачи βр определяли по формуле: , (6) где - плотность потока массы (пара). Непосредственное измерение температуры на границе раздела фаз наталкивается на значительные трудности, поэтому значение tп,пов, по которому в расчет вводили pп,пов, определяли путем итерационных вычислений из соотношения , (7) где αпл - коэффициент теплоотдачи при конденсации чистого пара. Для определения коэффициента теплоотдачи при конденсации чистого пара на плоской горизонтальной поверхности использовали критериальное уравнение, представленное в работе [3]: , (8) где λ, σ, υ, a, с, γ - соответственно коэффициенты теплопроводности, поверхностного натяжения, кинематической вязкости, температуропроводности, удельная теплоемкость и удельный вес конденсата. При совместном решении уравнений (7) и (8) физические константы в уравнении (8) относили к средней температуре пленки конденсата . Согласно работе [5], величина , пропорциональная отрывному диаметру падающей капли конденсата, является единственным определяющим размером системы. Поэтому при обработке опытных данных по тепло- и массообмену в качестве характерного размера l, входящего в критерии Nuд и Ar, также использовали величину . 2) Коэффициент диффузии Dp, отнесенный к градиенту парциального давления пара, рассчитывали по следующей зависимости: , (9) где D - концентрационная диффузия водяного пара в воздух; Rп - газовая постоянная водяного пара; Tп,о - абсолютная температура пара в основной массе парогазовой смеси, получаемая экспериментально. В общем случае суммарный перенос вещества путем молекулярной диффузии является следствием концентрационной диффузии, термической диффузии и бародиффузии. Однако, согласно [4], два последних вида переноса пренебрежимо малы в сравнении с первым, поэтому в расчет Nuд вводили только концентрационную диффузию, определяемую зависимостью [8]: , (10) где D0, p0, T0 - соответственно коэффициент диффузии, давление и температура при номальных физических условиях; pсм - давление парогазовой смеси в условиях опыта. Численные значения величин D0 и n были приняты в соответствии с рекомендациями [8]. 3) Плотность смеси на границе раздела фаз ρсм,пов и основной массы смеси ρсм,о определяли по формулам: , (11) , (12) где Tп,пов - абсолютная температура пара на границе раздела фаз; - концентрация воздуха на границе раздела фаз. 4) Парциальное давление неконденсирующегося газа (воздуха) в основной массе смеси pг,о и на границе раздела фаз pг,пов находили на основании закона Дальтона: . (13) 5) Кинематическую вязкость основной массы смеси υсм,о определяли из соотношения: , (14) где ρсм,о - плотность основной массы парогазовой смеси; μсм,о - динамический коэффициент вязкости смеси. Величину μсм,о рассчитывали по следующей формуле [4]: , (15) где μп, μг - соответственно динамический коэффициент вязкости пара и воздуха, выбираемые по температуре tп,о. Результаты обработки опытных данных, приведенные на рис. 2, представляли в виде следующей зависимости: . (16) Рис. 2. Массообмен при конденсации пара из парогазовой смеси на горизонтальной плоской поверхности Согласно работам [2,9], показатель степени у критерия Ar в зависимости (16) был принят 0,25. Как видно из рис. 2, опытные точки в логарифмической системе координат с относительной ошибкой 4,5 % укладываются около прямой линии, что не превышает погрешность опытов. В результате математической обработки экспериментальных данных для процесса массообмена получена критериальная зависимость: . (17) Здесь следует отметить, что показатели степени у εг,о и Пg хорошо согласуются с данными работ [5, 10]. Для оценки полученных результатов экспериментальный коэффициент теплоотдачи αсм (4), сравнивали с его расчетным значением, полученным по формуле: . (18) Результат проверки признан удовлетворительным. Таким образом, с помощью полученной зависимости (17), можно проводить объективные теплотехнические расчеты процесса конденсации пара из парогазовой смеси на плоской горизонтальной поверхности.аппаратов.с.рубашкой.
1. Minuhin, L.A. Raschety slozhnyh teplo- i massoobmena v apparatah pischevoy promyshlennosti / L.A. Minuhin. - M.: Agropromizdat, 1986. - 174 s.
2. Reshetnikov, I.F. Processy v greyuschih polostyah i rabochih ob'emah pischevarochnyh kotlov: avtoreferat diss. … kand. tehn. nauk / Reshetnikov I.F. - MINH im. G.V. Plehanova, 1983. - 23 s.
3. Shihalev, S.V. Modelirovanie varochnogo oborudovaniya predpriyatiy obschestvennogo pitaniya / S.V. Shihalev [i dr.] - M-vo obrazovaniya i nauki Rossiyskoy Federacii, Ural'skiy gos. ekonomicheskiy un-t, 2011. - 141 s.
4. Isachenko, V.P. Teploperedacha / V.P. Isachenko, V.A. Osipova, A.S. Sukomel - M.: Energoizdat, 1981. - 416 s.
5. Popov, V.D. O teplootdache pri kondensacii para na gorizontal'noy poverhnosti / V.D. Popov // Tr. Kievskogo tehnol. in-ta pisch. prom-sti im. A.I. Mikoyana. - 1951. - Vyp. 11. - S. 87-97.
6. Osipova, V.A. Eksperimental'noe issledovanie processov teploobmena: ucheb. posobie dlya vuzov / V.A. Osipova. - 3-e izd., pererab. i dop. - M.: Energiya, 1979. - 320 s.
7. Alibekov, A.K. Praktika primeneniya planirovaniya eksperimenta: dlya inzhenerov i nauchnyh rabotnikov / A.K. Alibekov, M.A. Mihalev. - Mahachkala: DGTU, 2013. - 126 s.
8. Kafarov, V.V. Osnovy massoperedachi / V.V. Kafarov. - M. : Vysshaya shkola, 1962. - 655 s.
9. Berman, L.D. Obobschenie opytnyh dannyh po teplo- i massoobmenu pri kondensacii para v prisutstvii nekondensiruyuschegosya gaza / L.D. Berman // TVT. - 1972. - № 3. - S. 587-594.
10. Berman L.D. Raschet poverhnostnyh teploobmennyh apparatov dlya kondensacii para iz parovozdushnoy smesi / L.D. Berman, S.N. Fuks // Teploenergetika. - 1959. - № 7. - S. 74-83.
