Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов
Экспериментально исследовано влияние начальной концентрации рассола и интенсивности перемешивания на степень переохлаждения до начала кристаллизации. С использованием экспериментальных данных по испарительному охлаждению рассола и модели расчета тепло- и массообмена при всплытии паровых пузырей, пол...
Збережено в:
| Дата: | 2006 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2006
|
| Назва видання: | Промышленная теплотехника |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61373 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов / Т.П. Михайленко, И.И. Петухов // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 1. — С. 79-83. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-61373 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-613732014-05-05T03:01:29Z Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов Михайленко, Т.П. Петухов, И.И. Термодинамика и процессы переноса Экспериментально исследовано влияние начальной концентрации рассола и интенсивности перемешивания на степень переохлаждения до начала кристаллизации. С использованием экспериментальных данных по испарительному охлаждению рассола и модели расчета тепло- и массообмена при всплытии паровых пузырей, получена эмпирическая корреляция для коэффициента увеличения площади межфазной поверхности. Експериментально досліджено вплив початкової концентрації розсолу й інтенсивності перемішування на ступінь переохолодження до початку кристалізації. Використовуючи експериментальні дані з випарного охолодження розсолу і модель розрахунку тепло- і масообміну при спливанні парових пузирів, отримано емпіричну кореляцію для коефіцієнта збільшення площі міжфазної поверхні. Initial brine concentration and intermixing intensity impact on supercooling before freezing experimentally investigated. Using of brine transpiration cooling experimental data and vapour bubble emersion simulator of heat-mass exchange was got the correlation for interphase surface area coefficient. 2006 Article Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов / Т.П. Михайленко, И.И. Петухов // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 1. — С. 79-83. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61373 536.24 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Термодинамика и процессы переноса Термодинамика и процессы переноса |
| spellingShingle |
Термодинамика и процессы переноса Термодинамика и процессы переноса Михайленко, Т.П. Петухов, И.И. Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов Промышленная теплотехника |
| description |
Экспериментально исследовано влияние начальной концентрации рассола и интенсивности перемешивания на степень переохлаждения до начала кристаллизации. С использованием экспериментальных данных по испарительному охлаждению рассола и модели расчета тепло- и массообмена при всплытии паровых пузырей, получена эмпирическая корреляция для коэффициента увеличения площади межфазной поверхности. |
| format |
Article |
| author |
Михайленко, Т.П. Петухов, И.И. |
| author_facet |
Михайленко, Т.П. Петухов, И.И. |
| author_sort |
Михайленко, Т.П. |
| title |
Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов |
| title_short |
Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов |
| title_full |
Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов |
| title_fullStr |
Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов |
| title_full_unstemmed |
Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов |
| title_sort |
межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Термодинамика и процессы переноса |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/61373 |
| citation_txt |
Межфазный тепломассообмен в низкотемпературных установках для кристаллизации вакуумируемых растворов / Т.П. Михайленко, И.И. Петухов // Промышленная теплотехника. — 2006. — Т. 28, № 1. — С. 79-83. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Промышленная теплотехника |
| work_keys_str_mv |
AT mihajlenkotp mežfaznyjteplomassoobmenvnizkotemperaturnyhustanovkahdlâkristallizaciivakuumiruemyhrastvorov AT petuhovii mežfaznyjteplomassoobmenvnizkotemperaturnyhustanovkahdlâkristallizaciivakuumiruemyhrastvorov |
| first_indexed |
2025-07-05T12:25:22Z |
| last_indexed |
2025-07-05T12:25:22Z |
| _version_ |
1836809792165773312 |
| fulltext |
Изучение процессов тепло; и массообмена,
протекающих при испарительном охлаждении
жидкости с последующей ее кристаллизацией,
представляет интерес для различных областей
техники. Среди них технологии концентрирова;
ния соков вымораживанием [1, 2], опреснение
морской воды, получение отверждённых газов
при откачке паров криогенных жидкостей [3,4].
В последнее время интерес к этим процессам
возрос в связи с совершенствованием технологий
жидкого льда, текучей суспензии воды или вод;
ного раствора с мелкими кристаллами льда [5;9].
Они наметили значительный прорыв в холодиль;
ной технике с точки зрения энергосбережения и
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1 79
ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА
Експериментально досліджено вплив
початкової концентрації розсолу й інтен)
сивності перемішування на ступінь пере)
охолодження до початку кристалізації.
Використовуючи експериментальні дані
з випарного охолодження розсолу і мо)
дель розрахунку тепло) і масообміну при
спливанні парових пузирів, отримано
емпіричну кореляцію для коефіцієнта
збільшення площі міжфазної поверхні.
Экспериментально исследовано вли)
яние начальной концентрации рассола и
интенсивности перемешивания на сте)
пень переохлаждения до начала крис)
таллизации. С использованием экспери)
ментальных данных по испарительному
охлаждению рассола и модели расчета
тепло) и массообмена при всплытии па)
ровых пузырей, получена эмпирическая
корреляция для коэффициента увеличе)
ния площади межфазной поверхности.
Initial brine concentration and intermix)
ing intensity impact on supercooling before
freezing experimentally investigated. Using
of brine transpiration cooling experimental
data and vapour bubble emersion simula)
tor of heat)mass exchange was got the
correlation for interphase surface area
coefficient.
УДК 536.24
МИХАЙЛЕНКО Т.П., ПЕТУХОВ И.И.
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»
МЕЖФАЗНЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕН
В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВКАХ
ДЛЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ВАКУУМИРУЕМЫХ РАСТВОРОВ
Ab – площадь межфазной поверхности;
Av – площадь межфазной поверхности в единице
объема смеси;
Aгор – площадь зеркала жидкости в сосуде;
c(l) – теплоемкость жидкости;
Cμ – коэффициент аэродинамического сопро;
тивления;
db – диаметр пузырька;
g – ускорение свободного падения;
Gb
(v) – масса парового пузыря, кг;
h – глубина парожидкостной среды, м;
Jlv – поток массы в пузырек, отнесенный к еди;
нице объема смеси;
Kгор – коэффициент увеличения площади меж;
фазной поверхности;
Nb – число центров парообразования в единице
объема смеси;
p – давление парожидкостной среды;
рн1 – давление насыщения на кривой кипения
воды;
p(v) – давление в паровом пространстве над жид;
костью;
Qb – теплота, отведенная из объема жидкости за
счет парообразования;
Re – число Рейнольдса;
T(l) – температура жидкости;
wb – скорость всплытия пузырька;
We – число Вебера;
α(v) – объемное паросодержание смеси;
αd – коэффициент массоотдачи;
ρ(l) – плотность жидкости;
ρ1
(v) – плотность водяного пара в пузырьке;
ρm – плотность парожидкостной смеси;
ρσ – плотность пара на межфазной поверхности;
σ(l) – поверхностное натяжение жидкости;
ψlv – теплота фазового перехода.
обеспечения экологической безопасности. До;
полнительные преимущества использования
жидкого льда связаны с возможностью аккуму;
лирования холода, уменьшения диаметра труб и
затрат на прокачку хладоносителя. Одним из
способов получения жидкого льда является испа;
рительное охлаждение рассола за счет вакууми;
рования [9].
Создать эффективные технологии испаритель;
ного охлаждения с последующей кристаллизацией
жидкости невозможно без изучения закономерно;
стей и достоверного описания термогидравличес;
ких эффектов в процессе роста и движения паро;
вых пузырей, зарождения и роста кристаллов,
тепломассообмена при кристаллизации жидкости.
В связи с этим представленная в работе [10] мате;
матическая модель расчета процесса испаритель;
ного охлаждения жидкости с последующей ее кри;
сталлизацией требует дополнений.
Данная работа посвящена изучению влияния
режимных параметров и концентрации рассола
NaCl на процесс объемной кристаллизации и оп;
ределению величины площади межфазной по;
верхности при испарительном охлаждении жид;
кости.
При вакуумировании рассола с начальной
температурой выше температуры кристаллиза;
ции его температура уменьшается, а после дости;
жения линии плавления в рассоле начинается
кристаллизация. В реальных условиях для этого
требуется некоторое переохлаждение, зависящее
от степени турбулентности, свойств фаз и нали;
чия в жидкости инородных включений. Неболь;
шое переохлаждение сохраняется и в процессе
дальнейшего роста кристаллов. Кроме того, в
действительном процессе испарительного ох;
лаждения давление пара над зеркалом жидкости
меньше равновесного, соответствующего пара;
метрам жидкой фазы. Для изучения влияния
концентрации растворяемого вещества и интен;
сивности перемешивания на процесс объемной
кристаллизации была проведена серия экспери;
ментов с раствором поваренной соли концентра;
цией 2, 5, 8%.
Эксперименты проводились на установке
(рис.1), оснащенной современными аттестован;
ными средствами измерений.
Для измерения температуры в установке ис;
пользовались шесть индивидуально тарирован;
ных хромель;алюмелевых термопар 10 с погреш;
ностью показаний ±0,2 оС, две из которых
располагались в паровом пространстве, а четыре
в жидкости. Контроль процесса вакуумирования
емкости осуществлялся по мановакуумметру 7
типа ОБМВ1;160 класса точности 1,5. Для изме;
рения давления использовался датчик перепада
давления 8 типа ИКД6ТДф, позволяющий изме;
рять перепад давления до 1600 Па. В результате
индивидуальной тарировки датчика погреш;
ность измерения не превышала 1 %. В процессе
вакуумирования с интервалом 15 секунд показа;
ния термопар и датчика давления регистрирова;
лись универсальным восьмиканальным измери;
телем;регистратором 9 (ТРМ 138) и заносились в
память компьютера при помощи SOFT SCADA
1.02. Результаты экспериментов представлены на
рис. 2, 3.
Результаты экспериментов показали, что для
начала процесса зарождения кристаллов необхо;
80 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1
ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для
получения водяной шуги при вакуумировании:
1 – сосуд Дьюара; 2 – турбинная мешалка;
3 – привод мешалки; 4 –резиновая манжета;
5 – крышка; 6 – вакуумный насос НВЗ%20;
7 – мановакуумметр; 8 – датчик перепада
давления ИКД6ТДф; 9 – восьмиканальный
измеритель%регистратор ТРМ138;
10 – термопара типа хромель%алюмель.
димо переохлаждение жидкости, о чем свиде;
тельствует скачок температуры в начальный мо;
мент кристаллизации (рис.2, 3). В диапазоне
концентраций рассола NaCl 2…8% переохлажде;
ние до начала кристаллизации составляет
0,2…2,3 К. Как показал регрессионный анализ,
степень переохлаждения жидкости не зависит от
начальной концентрации рассола (рис.2) и
уменьшается с увеличением числа оборотов ме;
шалки (рис.3).
При испарительном охлаждении за счет сни;
жения давления в паровом пространстве над
жидкостью в верхних слоях происходит процесс
образования и роста паровых пузырей, что под;
тверждается экспериментально. В результате
площадь межфазной поверхности превышает
площадь зеркала жидкости. Этот факт необходи;
мо учитывать при описании процессов тепло; и
массообмена при вакуумировании жидкости [10]
за счет коэффициента увеличения площади меж;
фазной поверхности.
Далее приводится модель расчета тепло; и массо;
обмена при всплытии паровых пузырей в непо;
движной жидкости, позволяющая определить вели;
чину площади межфазной поверхности, изменение
размеров, массы и температуры пузырей.
Процесс образования пузырей (кипение) ли;
митируется гидростатическим давлением жидко;
сти, далее профиль давления по глубине паро;
жидкостной среды определяется плотностью и
объемным содержанием жидкости в смеси и из;
меняется от значения, соответствующего давле;
нию насыщения на кривой кипения жидкости,
до значения давления в паровой подушке над
жидкостью. Вследствие роста всплывающих пу;
зырей объемное паросодержание увеличивается
и в верхних слоях жидкости принимает макси;
мальное значение. При построении модели счи;
таем, что профиль паросодержания при переме;
шивании смеси подобен тому, что получается в
результате расчета при фиксированном числе пу;
зырей, первоначально возникших как зародыши
парообразования с давлением насыщения рас;
твора. Вследствие интенсивного перемешивания
полагаем, что температура жидкости постоянна,
а ее изменение определяется после расчета коли;
чества пара, отведенного в паровую подушку.
Также полагаем, что пузырьки пара имеют сфе;
рическую форму, а заключенный в них пар – ка;
лорически совершенный идеальный газ. Капил;
лярными эффектами пренебрегаем.
При расчете тепло; и массообмена пузырька с
жидкостью принимаем квазиравновесную схему
фазового перехода, когда температура на меж;
фазной поверхности соответствует температуре
насыщения компоненты, претерпевающей фазо;
вый переход. Ввиду интенсивного теплообмена в
процессе парообразования температуру пара в
пузырьке считаем равной температуре на меж;
фазной поверхности.
Интенсивность фазового перехода в едини;
це объема смеси определяется соотношением
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1 81
ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА
Рис. 3. Влияние интенсивности перемешивания на
степень переохлаждения 2% рассола NaCl.
Рис. 2. Влияние концентрации рассола на степень
переохлаждения при перемешивании мешалкой
n = 800 об/мин.
. (1)
Используя рекомендации, приведенные в [11],
коэффициент массоотдачи αd находится из соот;
ветствующих критериальных уравнений.
Площадь межфазной поверхности в единице
объема смеси
. (2)
Скорость всплытия пузыря определяется из
равенства сил Архимеда и сопротивления
. (3)
Коэффициент аэродинамического сопротив;
ления при всплытии пузырька зависит от числа
Re и We и определяется по приведенным в [12]
соотношениям. При достаточно больших значе;
ниях числа Вебера (Weкр ~ 2π) из;за появления на
сферической поверхности нелинейных, конеч;
ных по амплитуде возмущений происходит раз;
рушение парового пузыря. При этом условие
дробления (4) задается динамическим напором в
газовой фазе [12]
. (4)
Теплота, отведенная из объема жидкости вы;
сотой dh за счет парообразования
. (5)
Тогда за счет парообразования температура
жидкости уменьшится на величину
. (6)
Расчет процесса тепло; и массообмена, проте;
кающего при всплытии парового пузыря в жидко;
сти, ведется в зависимости от профиля давления
жидкости при заданном шаге dp. На каждом шаге
по давлению определяются высота слоя жидкос;
ти, в которой идет процесс парообразования, мас;
са пузырька, площадь межфазной поверхности:
, (7)
, (8)
. (9)
По мере притока массы из жидкой фазы в пу;
зырек на каждом слое смеси высотой dh изменя;
ется его диаметр
. (10)
После интегрирования соотношений (9) ко;
эффициент увеличения площади межфазной по;
верхности определяется соотношением
. (11)
В связи с падением давления по высоте паро;
жидкостной среды от значения, соответствующе;
го давлению насыщения на кривой кипения
жидкости до давления в паровом пространстве
над жидкостью, происходит снижение темпера;
туры межфазной поверхности, что приводит к
увеличению интенсивности фазового перехода,
диаметра пузырька и, как следствие, объемного
паросодержания (рис.4). На начальном этапе си;
ла сопротивления со стороны жидкости не ока;
зывает существенного влияния на процесс
всплытия пузыря, и скорость всплытия непре;
рывно растет до достижения критического числа
Рейнольдса, затем начинает сказываться влияние
( )
3
( )
1
6 v
b
b v
Gd =
πρ
( )
( ) ( )(1 )
v lv
b v l
b b
JdG dp
g w N
=
− α ρ
( ) ( )
1
(1 )v ldh dp
g
=
− α ρ
( )
( ) ( )
l b
l l
dQdT
c
=
ρ
b lv lv
b
dhdQ J
w
= ψ
3 ( ) 2 2
( )
1( )
6 2 4
l
vb b b
m
d w dg Cμ
π ρ πρ − ρ =
2
v b bA d N= π
( )
1( )v
lv d vJ Aσ= α ρ − ρ
82 ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1
ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА
Рис. 4. Изменение объемного паросодержания при
росте всплывающего парового пузыря.
поверхностного натяжения, и скорость резко
уменьшается и растет менее интенсивно.
Используя экспериментальные данные по ис;
парительному охлаждению рассола и модель рас;
чета тепло; и массообмена при всплытии паро;
вых пузырей в неподвижной жидкости, получили
эмпирическую корреляцию (12) для коэффици;
ента увеличения площади межфазной поверхно;
сти, входящего в соотношения модели кристал;
лизации рассола при вакуумировании[10].
. (12)
В процессе испарительного охлаждения жидко;
сти значение коэффициента увеличения площади
межфазной поверхности уменьшается, что обус;
ловливается снижением интенсивности парооб;
разования из;за уменьшения температуры жидко;
сти и давления в паровом пространстве над ней.
Выводы
Полученные результаты дополняют разработан;
ную ранее модель [10] кристаллизации рассола при
вакуумировании и позволяют более точно учесть вли;
яние геометрических и режимных факторов на про;
цесс охлаждения и кристаллизации вакуумируемого
рассола. Результаты расчёта удовлетворительно со;
гласуются с опытными данными (рис. 5) и могут слу;
жить базой для разработки генератора жидкого льда.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пап Л. Концентрирование выморажива;
нием. Пер. с венгерского. М.: Легкая пищевая
промышленность. 1982. – 96 с.
2. Холодильные установки / Чумак И.Г., Че;
пурненко В.П., и др.; Под ред. И.Г.Чумака. М.:
Агропромиздат. 1991. – 495 с.
3. Опреснение воды замораживанием / М.В. Ко;
лодин; Под ред. В.А. Клячко, Л.З. Мельцера; АН
ТССР Ин;т пустынь. – Ашхабад: Ылым. 1977. – 244 с.
4. Плотников В.Т., Филаткин В.Н. Раздель;
ные вымораживающие установки. М.: Агропро;
миздат. 1987. ; 352 с.
5. З. Дворжак. Бинарный лёд. // Холодиль;
ный бизнес. –2000. –;№3. – С. 7...10.
6. Wang M.J., Lopez G., Goldstein V. Ice slurry
for shrimp farming and processing// Proceedings of
the Fifth Workshop on Ice Slurries of the
International Institute of Refrigeration. –
Stockholm, Sweden. – 2002. – Р. 161–168.
7. Laude�Bousquet A., Fournaison L. Technology
use of ice slurries // Proceedings of the Fifth
Workshop on Ice Slurries of the International
Institute of Refrigeration. – Stockholm, Sweden. –
2002. – Р. 169–174.
8. Akio S. The latest advances of TES// International
journal of refrigeration. – N25. – 2002. – P. 177;189.
9. Жеманюк П.Д., Таран А.И., Бакши П.А.,
Петухов И.И., Михайленко Т.П. К вопросу полу;
чения бинарного льда в условиях вакуумирова;
ния жидкостей // Холодильна техніка і техно;
логія. – 2003. – N3(83). – C.13;17.
10. Петухов И.И., Михайленко Т.П. Расчет
процесса кристаллизации рассола в вакуумиро;
ванном объеме // Авіаційно;космічна техніка і
технологія. – 2003. ; N37/2. – С.79;82.
11. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С.
Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. – 417 с.
12. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных
сред. Ч.1. М.: Наука, 1987. – 464 с.
Получено 03.10.2005 г.
ISSN 0204�3602. Пром. теплотехника, 2006, т. 28, № 1 83
ТЕРМОДИНАМИКА И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА
Рис. 5. Изменение температуры жидкой фазы
при испарительном охлаждении 2% рассола NaCl
с последующей кристаллизацией.
|