К расчету характеристик испарительных теплообменных аппаратов

воздуха, поступающего через входное отверстие 12 камеры 3. Выходящий через выходное отверстие 13 из электроотопительного прибора воздушный поток имеет заданную температуру.

По мере отдачи тепла и остывания аккумуляционного сердечника 7 регулируемая заслонка 11 автоматически приоткрывается на больший угол и в камеру 3 из камеры 2 через воздушный канал 5 подаётся уже большее количество горячего воздуха, нагретого до более низкой температуры, где и происходит его смешивание с холодным воздухом, поступающим через входное отверстие 12 . При этом общий объем циркулирующего через отопительный прибор воздуха практически не меняется. Этот принцип смешивания потоков горячего и холодного воздуха в верхней части камеры 3, делает более равномерным процесс охлаждения теплоаккумулирующего сердечника 7 и поддерживает заданный воздушный поток определенной температуры на выходе из электроотопительного прибора.

В таком режиме отопительный прибор будет работать до начала следующего цикла зарядки теплоаккумуляционного сердечника, т. е. когда начнёт действовать пониженный тариф на электроэнергию.

Прибор имеет хорошую аэродинамику, поскольку центр нагрева теплоаккумулирующего сердечника 7 и электроконвектора прямого нагрева 14 расположены ниже центра охлаждения (h<1/2H). Это важно, поскольку улучшается естественная тяга, что способствует лучшему обдуву аккумулирующего сердечника и электронагревательных элементов.

В результате использования предлагаемой конструкции отопительный прибор можно использовать в течение всего времени суток за счет установки в одном корпусе дополнительного конвектора прямого нагрева.

Рис.1- Схема энергоэффективного электрического обогревателя

При этом повышается тепловой КПД электроотопителя. Центр нагрева обоих нагревателей расположен ниже центра охлаждения, что обеспечивает хорошую естественную тягу прибора, улучшает равномерность охлаждения теплоаккумулятора и создаёт более комфортные условия обогрева обслуживаемого помещения, не требуются побудительные вентиляторы, существенно снижаются эксплуатационные издержки (затраты на энергию). Прибор успешно прошел лабораторные испытания.

Литература

1. Дудин С.Н., Тихомиров Д.А. Устройства аккумуляционного типа для нагрева воздуха // Вестник ВИЭСХ, Выпуск 3(8), М.: 2012.- С. 25-30.

2. Каган Н.Б., Кауфман В.Г., Пронько М.Г., Яневский Г.Д. Электротермическое оборудование для сельскохозяйственного производства. М.: Энергия, 1980.- 192 с.

References

1. Dudin S.N., Tihomirov D.A. Ustrojstva akkumuljacionnogo tipa dlja nagreva vozduha // Vestnik VIJeSH, Vypusk 3(8), M.: 2012.-S. 25-30.

2. Kagan N.B., Kaufman V.G., Pron'ko M.G., Janevskij G.D. Jelektrotermicheskoe oborudovanie dlja sel'skohozjajstvennogo proizvodstva. M.: Jenergija, 1980.- 192 s.

Корнеев С.Д *, Марюшин Л.А.2, Мараховский А.В.3, Трофимова Е.И.4

'Доктор технических наук, профессор; 2кандидат технических наук, доцент; 3аспирант; 4аспирант, Московский

государственный индустриальный университет

К РАСЧЕТУ ХАРАКТЕРИСТИК ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Аннотация

В статье проанализирован метод расчета характеристик эффективных теплообменников с организацией кипения нагреваемого теплоносителя в системе каналов с величиной зазора между образующими канал стенками, не превышающей капиллярной постоянной кипящей жидкости. Показано, что коэффициент теплоотдачи является функцией теплофизических свойств жидкости, геометрических характеристик канала, плотности теплового потока и истинного объемного паросодержания.

Ключевые слова: теплообменник, теплопроводность, кипение, капиллярный, теплоотдача, теплоноситель.

Korneev C.D.1, Marushin L.A.2, Marakhovsky A.C.3, Trofimova E.I.4

Doctor of technical Sciences, Professor; candidate of technical Sciences, associate Professor; aspirant; aspirant, Moscow state industrial

University

CALCULATION OF THE CHARACTERISTICS OF THE EVAPORATIVE HEAT EXCHANGERS

Abstract

The article analyzes the method of calculation of characteristics of effective heat exchangers with the organization boiling of the heated fluid in the channel system with the clearance between the forming channel walls, not exceeding the capillary constant boiling liquid. It is

73

shown that the heat transfer coefficient is a function of the thermophysical properties of the fluid, the geometric characteristics of the channel, a heat flux density and the true volume of the steam quality.

Keywords: heat exchanger, heat conduction, boiling, capillary, heat transfer, fluid.

Задачи экономного расходования энергии непосредственно связаны с разработкой и созданием теплообменных аппаратов, обеспечивающих минимальную разность температур теплоносителей. К числу таких теплообменников относятся аппараты, в которых происходит кипение теплоносителя. Такие теплообменники используются в самых разнообразных теплотехнологических установках микробиологической, химической, пищевой, металлургической и других отраслей промышленности. Эффективность функционирования подобных теплообменных аппаратов во многом зависит от интенсивности теплоотдачи в зоне кипения.

Одним из перспективных путей повышения эффективности работы теплообменников является организация процесса кипения в щелевых каналах с величиной зазора между их стенками, не превышающей капиллярной постоянной кипящей жидкости.

Чтобы создать инженерно обоснованную конструкцию зоны кипения теплоносителя с интенсифицирующими теплоотдачу щелевыми каналами, необходимо знать, как повлияют геометрические и режимные параметры щелевых каналов на эффективность работы теплообменного аппарата в целом. Необходим теоретически и экспериментально обоснованный метод расчета теплоотдачи при кипении в капиллярных щелевых каналах.

Если следовать микропленочной теории [1, 2], то увеличение площади, занимаемой тонким слоем жидкости, отделяющим паровой пузырь от греющей стенки, может привести к повышению интенсивности теплообмена. Этот эффект можно использовать для интенсификации процессов теплообмена при кипении. При этом сплющивание паровых пузырей между стенками должно привести к существенному увеличению площади, занятой тонким слоем жидкости, отделяющей паровые пузыри от греющей стенки. В связи с этим должна возрасти и интенсивность теплообмена.

Результаты работ по исследованию кипения в щелевых каналах [3, 4, 5] показали, что уменьшение толщины щелевого зазора в определенных пределах действительно приводит к существенному увеличению коэффициента теплоотдачи.

Рассматриваемый метод расчета процесса кипения в капиллярных щелевых каналах учитывает отношение времени, в течение которого данный участок теплопередающей поверхности щелевого канала занят паровыми пузырями, и теплообмен происходит через тонкий слой жидкости, отделяющий паровой пузырь от стенки, к суммарному времени теплообмена. Величина этого отношения определяется гидродинамикой двухфазного потока в щелевом канале, которая, в свою очередь, зависит от геометрии канала, схемы его питания жидкостью, тепловой нагрузки, теплофизических свойств жидкости и ориентации канала относительно плоскости горизонта.

Для физического описания процесса пузырькового кипения в капиллярных щелевых каналах принимается следующая модель. Щелевой канал образован двумя стенками, которые могут быть плоскопараллельными, коаксиальными или, в общем случае, имеют иную геометрию. Если канал является криволинейным, полагаем что радиус его кривизны много больше, чем величина щелевого зазора. Греющими могут быть обе, или, как показано на рис. 1, одна из стенок канала. Исходим из того, что выполняется условие постоянства плотности подводимого теплового потока по высоте и ширине канала.

В результате подвода теплоты в щелевом зазоре, заполненном жидкостью, образуются паровые пузыри, которые в процессе своего роста сплющиваются между стенками канала и всплывают вверх под действием архимедовой подъемной силы.

Паровые пузыри отделены от греющей стенки тонким слоем жидкости. Как показали последующие опыты, это условие хорошо выполняется в случае, если стенка смачивается кипящей жидкостью. Полагаем, что теплота подводится к пузырям через этот слой посредством молекулярной теплопроводности и расходуется на генерацию пара.

Каждый участок стенок, образующих щелевой канал, с течением времени попеременно занят либо паровым пузырем, либо жидкостной пробкой, отделяющей пузыри друг от друга. Полагаем, что при наличии парового пузыря теплообмен происходит путем теплопроводности через жидкостную пленку, отделяющую пузырь от данного участка поверхности стенки канала.

При прохождении жидкостной пробки происходит конвективный теплообмен между стенками и жидкостью. Средний по времени локальный коэффициент теплоотдачи при кипении в щелевом канале может быть определен путем интегрирования по времени мгновенного значения коэффициента теплоотдачи.

Рис. 1 - Схема процесса кипения в капиллярном щелевом канале: abcd - участок в капиллярном щелевом канале; l - длина

участка abcd; h - высота участка abcd; b - толщина щелевого зазора; H - высота щелевого зазора; q - тепловой поток; lni - длина

отрезка, занимаемого сечением отдельного пузыря.

74

Таким образом, согласно принимаемой модели процесса, средний по времени локальный коэффициент теплоотдачи определяется толщиной слоя жидкости, отделяющей паровой пузырь от стенки щелевого канала, и долей времени, в течение которого данный участок поверхности занят пузырями.

При кипении в щелевом канале часть его объема занята жидкостью, часть - паровыми пузырями. Выделим в канале некоторый

/ h

участок abcd длиной и высотой . Истинное объемное паросодержание в сечении b-c в текущий момент времени выразится так:

¥

l  b

где

S„

b

- площадь сечения отдельного пузыря;

толщина щелевого зазора;

- длина участка.

Если пренебречь толщиной слоя жидкости, отделяющего пузырь от стенок канала, то можно записать:

Sm = 1„,  b,

lni

где - длина отрезка, занимаемого сечением отдельного пузыря. После подстановки формулы (2) в выражение (1) получаем:

¥

в

/

Истинное объемное паросодержание в сечении канала конечной ширины непрерывно меняется. Поэтому характерной величиной будет паросодержание, осредненное по времени. Среднее по времени значение истинного объемного паросодержания в сечении на высоте h может быть определено следующим образом:

1

1 о

r1

где - интервал времени интегрирования.

Найдем связь между осредненным по времени истинным объемным паросодержанием и средней истинной скоростью пара в произвольном сечении на высоте h.

За время Г к площади abcd подводится теплота:

Q = A  q  /  h r

где - плотность теплового потока;

А - число теплопередающих стенок капиллярного щелевого канала.

Как ясно из сопоставления уравнения (5) со схемой процесса, при подводе теплоты только через одну из стенок канала

A

1. Если происходит симметричный подвод теплоты через обе стенки, образующие канал, то ^ = 2.

Если исходить из предположения, что все подводимая теплота расходуется на парообразование, то за время вышеуказанной части канала образуется объем пара:

в

К

Q = A  q  l  h  r r  Pn r  Pn

r

где - теплота парообразования;

Pn

- плотность пара.

r

За то же время через сечение b-c должен удаляться полученный объем пара. Следовательно:

75

jn • l • b T =

A•q•l•h -t

r • Pn

j n

где - приведенная скорость пара. В результате получаем:

jn

A • q • h

r • Pn •b

Если известно значение истинного объемного паросодержания, то можно найти среднюю истинную скорость пара в сечение b-c:

г = j = А • q • h

п 1

9 г•рп •b-у

Величина истинного объемного паросодержания позволяет также определить долю времени, в течение которого данный элементарный участок поверхности стенки канала занят паровыми пузырями:

9 =

т,

т + т

п ж

где

т

- время, в течение которого элементарный участок поверхности занят пузырем;

T

ж - время, в течение которого он занят паровой пробкой.

Полагаем, что при наличии пузыря, теплообмен между ним и стенкой осуществляется посредством молекулярной теплопроводности через жидкостную пленку, отделяющую пузырь от стенки:

а

п

к

8Г

ап

где ” - коэффициент теплоотдачи при прохождении парового пузыря;

к

sr

- коэффициент теплопроводности жидкости;

- толщина слоя жидкости.

Для определения начальной толщины жидкостной пленки применима формула [6]:

^0 = k1 -^ж -

гр • b^

г ж

V • уп У

где

- кинематический коэффициент вязкости жидкости;

1 - постоянный коэффициент.

Рассмотрим, из каких составляющих складывается тепловой поток, передаваемый от стенок канала к кипящей в нем жидкости. При похождении жидкостной пробки между стенкой и жидкостью будет происходить конвективный теплообмен. Как показывают выполненные расчеты, в канале со щелевым зазором, не превышающим величины капиллярной постоянной кипящей жидкости, во всем диапазоне реально достижимых скоростей двухфазного потока, судя по значениям чисел Рейнольдса, в жидкостных пробках сохраняется ламинарный режим течения.

Величину коэффициента теплоотдачи от греющей стенки к жидкостной пробке, находящейся в щелевом канале можно оценить, используя решение уравнения Навье-Стокса для случая стационарного ламинарного движения жидкости в плоском канале

[7]:

76

4 • X 8 • X

а

1 • b b

2

S0

В связи с тем, что << b, из сравнения формул (11) и (13) следует, что:

ап >> аж

Среднее по времени значение локального коэффициента теплоотдачи определяется из выражения:

а =

т + т

п ж

г ж

1

а

где - значение коэффициента теплоотдачи в данный момент времени.

Как показали расчеты, в случае, когда плотность передаваемого теплового потока существенно меньше критической, изменение толщины пленки жидкости, образующейся на стенке при прохождении пузыря, в течение времени ее существования мало по сравнению с начальной ее толщиной. Поэтому, на данном этапе расчета, считаем, что коэффициент теплоотдачи при прохождении пузыря мимо некоторого элементарного участка поверхности стенки остается постоянным. Величиной коэффициента теплоотдачи при прохождении жидкостной пробки, принимая во внимание уравнение (14), пренебрегаем. Учитывая эти соображения и используя (10), выражение (15) можно преобразовать к виду:

а = ап • ф

.

После подстановки в формулу (16) уравнений (11) и (12) получаем выражение для осредненного по времени локального коэффициента теплоотдачи:

X

а =

k1 •v

A • h•а 2

--------2 •q•ф

1

^3

ж \

r • р • р • b2

г ж I п

На основании выполненного анализа можно сделать следующие выводы:

Как следует из формулы (17), коэффициент теплоотдачи является функцией теплофизических свойств жидкости, геометрических характеристик канала, плотности теплового потока и истинного объемного паросодержания. Последнее может быть определено на основании анализа гидродинамики двухфазного потока в щелевых каналах с различными геометрическими характеристиками.

В уравнение (17) входит величина истинного объемного паросодержания. Задавая соответствующие геометрические характеристики щелевого канала, видоизменяя схему его питания жидкостью, варьируя режим подвода теплоты, можно активно влиять на характеристики теплообмена при кипении жидкости. В свою очередь, это находит свое отражение в конструкции зоны кипения теплоносителя и особенностях ее теплотехнического расчета.

Литература

1. Кутепов А.М., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании. - М.: Высшая школа, 1986. - 448 с.

2. Лабунцов Д.А. Приближенная теория теплообмена при развитом пузырьковом кипении // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1963. - № 1. - С. 58-71.

3. Григорьев В.А., Крохин Ю.И., Куликов А.С. Теплообмен при кипении в вертикальных щелевых каналах // Труды МЭИ. -

1972. - Вып. 141. - С. 58-68.

4. Корнеев С.Д., Курбанов Х.К., Миронов Б.М. Влияние схемы питания на гидродинамику и теплообмен при кипении в щелевом канале // Известия вузов: Машиностроение. - 1978. - № 2. - С. 75 - 78.

5. Корнеев А.Д., Корнеев С.Д., Леонтьев А.И., Пирогов Е.Н. Теплообмен при кипении R12 и R22 в узких щелевых каналах при постоянной температуре теплопередающей поверхности // Холодильная техника. - 1983. - № 2. - С. 46-49.

6. Григорьев В.А., Крохин Ю.И., Куликов А.С. К вопросу об определении толщины пленки жидкости под пузырем при кипении в капиллярных каналах // Труды МЭИ. - 1974. - Вып. 200. - С. 8-16.

7. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974. - 712 с.

References

1. Kutepov, A. M., Sterman HP, Stuchin N. G. Hydrodynamics and heat transfer in evaporation. - M.: Higher school, 1986. - 448 S.

2. Labuntsov D. A. Approximate theory of heat transfer in fully developed nucleate boiling, " Izv. THE USSR ACADEMY OF SCIENCES. Energy and transport. - 1963. No. 1. - S. 58-71.

3. Grigoriev C. A., Krokhin, Y. I., Kulikov A. C. boiling Heat transfer in vertical slot channels // proceedings of the MEI. - 1972. - Vol. 141. - S. 58-68.

4. Korneev, S. D., Kurbanov H. K., Mironov, B. M. The effect of food on the hydrodynamics and heat transfer during boiling in a slit channel // Izvestiya vuzov: engineering. - 1978. No. 2. - S. 75 - 78.

5. Korneev A. D., Korneev, S. D., Leontiev A. I., Pies E. N. Heat transfer in boiling R12 and R22 in the narrow slot channels at a constant temperature heat transfer surface // Refrigerating equipment. - 1983. No. 2. - S. 46-49.

6. Grigoriev C. A., Krokhin, Y. I., A. Kulikov back To the question of determining the thickness of the liquid film under the bubble during boiling in capillary channels // proceedings of the MEI. - 1974. - Vol. 200. - S. 8-16.

77

7. Slighting, the Theory of the boundary layer. - M.: Nauka, 1974. - 712 S.

Левченко Г.В.1

'Кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» МЕХАНИЗАЦИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СУБСТРАТОВ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ГРИБОВОДСТВА

Аннотация

В статье рассмотрены - условия искусственного выращивания грибов в промышленных масштабах. В коммерческом грибоводстве наиболее сложная стадия - приготовление субстрата. В связи с этим необходим правильный подбор мощности вентилятора, диаметров пневмопроводов с учетом физико-механических свойств исходного материала.

Ключевые слова: выращивание, грибы субстрат, вешенка, культивирование грибов.

Levchenko G.V.1

Candidate of technical Sciences, FSBEI HPE “Saratov SAU” named after N.I. Vavilov MECHANIZATION PREPARATION OF SUBSTRATES FOR INDUSTRIAL MUSHROOM PRODUCTION

Abstract

The article considers the conditions of artificial cultivation of mushrooms on an industrial scale. In the commercial mushroom industry the most difficult stage is the preparation of the substrate. It was therefore necessary for proper selection of power fan diameters pnevmoprivod with the physical and mechanical properties of the source material.

Keywords: growing mushrooms the substrate, oyster, cultivation of mushrooms.

Искусственное разведение грибов известно достаточно давно, но особый интерес к грибоводству проявлен в последние десятилетия. Это связано с тем, что культивирование грибов - единственный во всем мире коммерчески эффективный крупномасштабный путь биоконверсии лигноцеллюлозных отходов в пищу.

Доказана возможность культивирования 100 видов съедобных грибов (из известных в мире 2 тысяч видов), а 35 видов уже выращивают на коммерческой основе. В России наибольшее предпочтение отдают выращиванию грибов вешенка», шиитаке и шампиньонов. Вешенка более технологична, имеет высокую скорость роста и конкурентоспособность по отношению к посторонней микрофлоре. Выделяют два способа выращивания Вешенки: экстенсивный и интенсивный. Для промышленного грибоводства более выгоден интенсивный метод.

Наиболее сложная стадия производства грибов - приготовление субстрата. В коммерческом грибоводстве применяют статическую и динамическую ферментации сырья. В последнее время, динамическая ферментация практически полностью вытеснила статическую. Причин две - высокая скорость протекания ферментационных процессов (Рис. 1) и практически идеальная равномерность их протекания по всему объёму ферментёра. [1, 2].

Для обеспечения динамической ферментации при промышленном производстве грибов применяется субстратная машина нового поколения (Рис. 2). Ряд конструктивных и технологических особенностей и простота эксплуатации субстратной машины позволяют оптимизировать технологический процесс и свести потери производства до минимума.

Рис. 1. График продолжительности статической и динамической ферментации

Рис. 2. Машина субстратная

Загрузка измельчённого сырья (соломы) производится в барабан субстратной машины пневматическим транспортером. Применение пневмотранспортёра позволяет использовать не только измельчитель с пневматической подачей, но и пневмопровод, позволяющий доставить измельчённое сырьё и питательные добавки на расстояние до10 м со склада сырья.

78