НЕОБХОДИМОСТЬ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА В ВОЗДУШНОМ КОРОБЕ ТИПА «ГОРЯЧИЙ ЯЩИК», ЗА СЧЕТ ТУРБУЛИЗАЦИИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА.

В настоящее время в Украине перерабатывающие предприятия находятся в тяжелом положении. Это, в первую очередь связано с использованием морально устаревшего оборудования для тепловой обработки и крайне низкого использования источников возобновляемой энергии в переработке плодовой продукции. В связи с этим возникает задача поиска новых технологических и технических решений, снижающих расход топлива, электроэнергии и других материальных ресурсов на переработку плодовой продукции.

С целью снижения энергозатрат на нагрев сушильного агента для установок по обезвоживанию плодов проводились аналитические исследований. Нашей в кафедрой была разработана и создана комплексная установка для нагрева воздуха. Особенность такой установки заключается в том, что на плоский теплообменный короб дополнительно концентрируются солнечные лучи за счет плоских гелиоконцентраторов. Также в короб устанавливаются аэродинамические ребра для улучшения процесса теплообмена. В 2008 году установка была запатентована. Данная установка исследовалась на определение оптимальных параметров. Экспериментальные исследования проводились летний период 2007 и 2008 года. За время проведения эксперимента в 2007 году были подтверждены выдвинутая гипотеза о том что применение плоских зеркальных концентраторов приведет к повышению температуры нагрева воздуха. Хорошо себя зарекомендовала система плоских зеркальных концентраторов. Однако в теплообменном коробе был выявлен существенный недостаток – низкий коэффициент теплообмена.

Это связано с тем, что воздух имеет низкую теплоемкость поэтому теплопередача между сушильным агентом и нагревающей пластиной происходит очень медленно. Соответственно возник вопрос о дополнительной интенсификации теплообменного процесса в воздушном коробе.

Для улучшения процесса теплообмена в короб дополнительно установили аэродинамические ребра. Концентрированный солнечный свет, попадая на их поверхность, преобразуется в тепловую энергию которая, в свою очередь, передается сушильному агенту. Поскольку в коробе аэродинамические ребра обдуваются воздухом сверху и снизу, то площадь взаимодействия теплообменной поверхности и сушильного агента соответственно увеличивается.

Аэродинамические ребра турбулизируют воздушный поток, который движется в теплообменном коробе рис. 2.12. Это позволяет избежать зон перегрева и недогрева воздуха и получить равномерно нагретый сушильный агент на выходе из установки.

Рис. 2.12 Движение воздуха в теплообменном коробе.

При проектировании аэродинамических ребер возник вопрос о их форме, высоте и шаге. Многочисленные исследования ряда ученых показали, что наиболее оптимальным расположением ребер является поперечное. При таком расположении ребер происходит максимальное турбулизирование воздушного потока.

Также огромное влияние оказывает коэффициент оребренности короба.

При частом расположении турбулизаторов (< 5 ... 10) турбулентные пульсации, возникающие за турбулизатором, не успевают затухнуть на пути к следующему турбулизатору.

При достаточно большом расстоянии между турбулизаторами (≥ 5 ... 10) дополнительно возникшие в зоне вихрей или при периодическом разрушении самих вихрей турбулентные пульсации переносятся основным потоком близко к стене. Следовательно, интенсификация теплоотдачи будет достигнута ценой минимальных аэродинамических потерь.

При слишком большом (≥ 100 ... 500) расстоянии между турбулизаторами дополнительная турбулентность возникшая за турбулизатором, успеет достаточно заметно затухнуть на некотором расстоянии от него и остальной участок канала до следующеющего турбулизатора будет мало отличаться по структуре потока от гладкого канала.

Для прямоугольных выступов значениям 10 соответствует наличие двух вихрей (за и перед выступом). На верхней границе вихрей и между ними существует зона с высокой интенсивностью турбулентности в непосредственной близости к стенке. При обтекании вихря перед выступом, по-видимому, возникает система винтообразных вихрей. При обтекании плавно очерченных турбулизаторов (например, очерченных по верхней границе вихрей перед и за прямоугольным уступом) двухмерных вихрей нет (или они много меньше). Следовательно, нет и потерь энергии на поддержание этих вихрей и компенсацию диссипации энергии в них.

Для снижения сопротивления аэродинамической системы ребра должны располагаться под углом 45 градусов к направлению движения воздушного потока. При изменении этого угла до 90 градусов, аэродинамическое сопротивление будет резко возрастать. При снижении угла к 0 градусов будет снижаться турбулизация воздушного потока.

Аэродинамические ребра были прикреплены не к цельной пластине, а к пластине которая имеет технологические отверстия. Это спроектировано с целью свободной циркуляции воздушного потока от нижней части короба к верхней. Также такая система позволяет снизить коэффициент сопротивления.

Летом 2008 года был проведен эксперимент. Результаты этого эксперимента подтвердили выдвинутую гипотезу. По полученным зависимостям были сделаны следующие выводы:

- оптимальным углом падения солнечного света на зеркальную поверхность является угол в 15 градусов;

- оптимальной длинной аэродинамических ребер оказалась длина 10 сантиметров. Она позволила производить максимальное перемешивание воздушного потока, тем самым оптимизируя работу установки;

Оптимальной скоростью воздушного потока для установки длинной 2 метра, при угле падения солнечного луча на зеркальную поверхность 15º, и длине аэродинамических ребер 10 сантиметров, оказалась скорость 4 м/с. При дальнейшем увеличении скорости воздушного потока температура воздуха будет ниже необходимой технологической.

При использовании аэродинамических ребер в теплообменном коробе температура нагрева воздуха увеличилась на 10 градусов по отношению к температуре воздуха, полученной в результате нагрева без них при соблюдении равных условий. На повышение температуры нагрева оказало влияние:

- эффективное перемешивание воздушного потока в теплообменном коробе;

- увеличение площади нагрева воздуха, за счет нагрева пластин аэродинамических ребер. При их отсутствии поверхностью нагрева являлась только верхняя сторона дна короба, а в случае использования аэродинамических ребер поверхностью нагрева является как верхняя, так и нижняя часть пластины аэродинамического ребра.

В целом комплексное применение концентрирующей зеркальной системы и аэродинамических ребер повлияло на температуру нагрева сушильного агента и позволило довести ее до необходимого технологического значения.