Пароконтактные нагреватели (Часть III)

Типа «молоко в пар».Пароконтактный нагреватель представляет собой вертикальную цилиндрическую камеру, рассчитанную на определенное давление пара в зависимости от температуры нагревания жидкости. Жидкость нагревается в распыленном состоянии.

С конструктивной точки зрения нагреватели этого типа имеют ту особенность, что размер их, в основном по высоте, определяемый продолжительностью нагревания жидкости до температуры стерилизации и скоростью ее движения, достигает иногда существенных значений.

С эксплуатационной точки зрения достоинство их заключается в том, что нагретая жидкость накапливается на дне камеры нагревателя и выполняет роль гидравлического затвора. Это предотвращает образование так называемого «пролетного пара» и опасность непроизводительного потребления нагревателем греющего пара.

Принцип действия нагревателя достаточно прост, а эффективность его работы в большой степени зависит от условий теплообмена между греющим водяным паром и нагреваемой жидкостью (молоком).

Пар в камеру вводят через боковой патрубок, давление его в камере контролируют манометром. Жидкость в паровую камеру можно вводить по-разному в зависимости от конструкции распыливающих устройств.

Самым простым способом является введение нагреваемой жидкости в атмосферу пара в виде струи. Струя жидкости формируется под влиянием конструкции форсунки. Кроме того, существенное влияние на форму струи оказывает ряд внешних и внутренних причин, которые вызывают ее деформацию. В результате действия этих причин струя теряет свою форму, сплошность ее на определенном участке нарушается и она распадается на капли. Нагреваемая жидкость вводится в паровую камеру под напором, создаваемым насосом. Давление жидкости должно превышать давление пара. Перепад давлений между жидкостью и паром определяет скорость истечения жидкости, которая в зависимости от перепада, принимает различные значения и создает различные режимы распада струи.

Структура струи с точки зрения нагревания пароконтактный способом имеет немаловажное значение. Эффективность нагревания при этом в значительной мере зависит от развития поверхности контакта между теплообменивающимися средами.

Наиболее технологичной и конструктивно простой является, струйная форсунка с цилиндрическим соплом.

Струя жидкости, выходящей из струйной форсунки, распадается. Известны три режима распада струи; осесимметричный; волнообразный; распыливание. Каждый режим характеризуется определенной длиной компактного участка и структурными особенностями распадающегося участка.

Режим распада струи имеет немаловажное значение для: расчета температуры нагревания жидкости.

Если считать, что суммарная поверхность контакта нагреваемой жидкости и пара складывается из поверхности компактного участка и поверхности капель на участке распада, та уменьшение компактного участка и увеличение степени дисперсности факела распыливания будут способствовать развитию поверхности контакта теплообменивающихся сред.

Осесимметричный распад в этом аспекте представляется- малоперспективным для использования при нагревании пищевых жидкостей, особенно молока.

Зависимости длины компактного участка от скорости истечения из отверстия форсунки приведены на рис. 7. Зависимости получены экспериментальным путем при изучении истечения вязкой жидкости из отверстий различных диаметров.

Графики отражают характер изменения длины компактного  участка. Длина компактного участка при увеличении скорости истечения сначала растет линейно, затем, по достижении первого максимума, падает и далее снова растет до второго максимума. При дальнейшем увеличении скорости она постепенно падает. Линия А—А обозначает переход от режима осесимметричного распада к режиму волнообразного распада. Эта граница проходит для указанных диаметров отверстий форсунок в диапазоне скоростей истечения от 4,3 до 5,2 м/с, что соответствует перепаду давлений 22,3—32,6 кПа. Режим распыливания наступает при перепаде давлений выше 104 кПа.

Рис. 7. Графики зависимости длины компактного участка от скорости струи и диаметра форсунки.

 

Несмотря на то что режим распиливания характеризуется очень большой степенью дисперсности распыленного факела, достижение развитой дисперсности связано с большими энергетическими затратами.

Заштрихованная зона на графике показывает резкое уменьшение длины компактного участка в режиме волнообразного распада. Зона ограничена значениями скоростей истечения от 7,6 до 29,5 м/с, что соответствует перепаду давлений от 69,7 до 1049,8 кПа.

Вполне приемлемым для практического использования можно считать диапазон скоростей от 25 до 20 м/с, что соответствует перепаду давлений от 754 до 1086 кПа. В этом диапазоне длина компактного участка невелика (50<L<100 мм), факел распыливания имеет достаточно хорошо развитую поверхность. Энергетические затраты насоса для создания необходимого напора жидкости небольшие.

Длину компактного участка в режиме волнообразного распада можно рассчитать по формуле Лышевского

При конденсации пара на поверхности струи теплота конденсации проникает в массу жидкости и распространяется в; ней по направлению к оси струи путем внутренней теплопроводности.

Так как диаметры струй в их практическом применения очень маленькие, то конвективными токами при решении задачи о нагреве струи можно пренебречь.

В связи с тем что струя делится на два участка: компактный и участок распада, нагревание струи можно рассматривать- по отдельным участкам.

В отличие от свободно падающей струи, задача о нагреве которой решена С. С. Кутателадзе, рассматриваемая струя имеет постоянное сечение по длине. Исходя из этого, среднюю- скорость струи в любой точке можно принять постоянной.

Согласно данным Карслоу, уравнение передачи тепла имеет вид

Уравнение для расчета средней температуры в сечении: струи на расстоянии Z от форсунки достаточно хорошо согласуется с данными эксперимента.

Определение температуры жидкости на участке распада с помощью аналитических приемов не представляется возможным. Здесь структура распадающейся струи настолько сложна, что подбор теоретической схемы вряд ли будет отвечать объективной реальности.

Рис. 8. Зависимость температуры по длине струи, вытекающей из цилиндрической форсунки диаметром 1,5 мм, от скорости истечения струи: АВ — нагревание на компактном участке; ВС — нагревание на участке распада.

 

Экспериментальное исследование нагревания жидкости на участке распада с помощью экспериментальной установки  показывает большую интенсивность нагревания. Таким образом, изменение температуры жидкости по длине струи на первом и втором участках протекает по различным закономерностям. Графическое выражение этих закономерностей представляется в виде кривых с точками перегиба (В), соответствующими точкам перехода струй от компактного вида к распаду (рис. 8).

С точки зрения упрощения практических расчетов целесообразно воспользоваться приближенным методом расчета, основанным на допущении отсутствия компактного участка и предположении равномерного нагревания струи по ее длине.

Рис. 9. Аппроксимационный график изменения температуры по длине струи в режиме волнообразного распада.

 

Обработка аппроксимированных графиков (рис. 9) приводит к эмпирической зависимости, позволяющей достаточно точно определить изменение средней температуры струи по длине и рассчитать длину струи от форсунки до точки с задаваемой температурой нагревания.

 

Для воды А =454-46; для молока Л = 39-М1.

Формулы справедливы для расчета температуры и длины нагреваемого участка в режиме волнообразного распада и в диапазоне перепада давлений Р = 50-500 кПа и d = 0,5-2,5 мм.

Нагревание струи в режиме осесимметричного распада и частично волнообразного можно рассчитать по формуле, рекомендованной Ересько. Формула справедлива для расчета изменения температуры при средней скорости струи до 10 м/с:

Длина струи, на которой жидкость (молоко) нагревается до температуры стерилизации, определяет один из главных конструктивных размеров нагревателя, т. е. его высоту H(рис. 10, а). Другим главным размером нагревателя является его внутренний диаметр Dв. Другие конструктивные размеры устанавливают в зависимости от Dв и H с учетом прочности конструкции и экономии материала.

Внутренний диаметр нагревателя необходимо рассчитывать на основании схемы расположения отверстий для молока в струеобразующем диске. Схема расположения отверстий в диске должна отвечать двум главным условиям: обеспечение свободного доступа пара к поверхностям струй и простоты изготовления детали. Наилучшим образом эти условия будут выполнены в том случае, когда сверления в диске будут сделаны по радиально расходящимся лучам с интервалами между центрами отверстий t₂=2d (рис. 10,б).
Число лучей обусловлено величиной угла ? между соседними лучами: К=360 °/p.

? можно принимать в пределах от 30 до 45°. Общее количество отверстий в струеобразующем диске равно