2. Процесс теплообмена в скребковых охладителях

Процесс теплоотдачи в скребковых охладителях протекает в условиях интенсивного охлаждения и перемешивания продукта мешалками скребкового типа.

Анализ процесса теплообмена в скребковых охладителях показывает, что исследования затрагивают закономерности изменения основных параметров и режимов работы оборудования под влиянием теплофизических свойств перерабатываемого продукта.

Скребковые мешалки при перемешивании жировых и жиросодержа-щих, высоковязких жидкостей обеспечивают высокую интенсивность теплообмена в условиях частичной кристаллизации и прилипания, создают условия для интенсификации процессов гомогенизации дисперсной системы. Этому способствует отсутствие зазора между стенкой цилиндра и скребком (или скребками) мешалки. При вращении скребка происходит удаление охлаждаемых или нагреваемых слоев пограничного слоя с поверхности цилиндра и поступление новой массы жидкости к стенке цилиндра. Такого рода теплоперенос описывается уравнением нестационарной теплопроводности

(1)

с граничными условиями

t = t_ст при y = 0 и τ > 0;

t = t₀ при y > 0 и τ = 0,

где у – расстояние от стенки; t – температура; t₀, t_ст – температура жидкости в ядре потока и у стенки; τ – время; a – коэффициент температуропроводности.

Решение уравнения (1) с граничными условиями может быть представлено как

(2)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); c_уд – удельная теплоемкость, Дж/(кг · К); ρ – плотность, кг/м³; _ср – среднее время контакта элемента продукта с поверхностью теплообмена, с.

Величина _ср представляет собой промежуток времени между двумя последовательными прохождениями скребков через данную точку поверхности:

_ср = , (3)

где n – частота вращения скребков, 1/с; z – количество скребков, шт.

Тогда

 = . (4)

Тепловой поток Q, передаваемый через стенку аппарата со скребковой мешалкой,

Q = , (5)

где t₀, t_ст – температура жидкости в ядре потока и у стенки.

Таким образом, анализ процесса теплообмена в агрегатах со скребковыми мешалками показал, что коэффициент теплоотдачи α зависит от следующих параметров:

 = f (, с_уд, , n, z), (6)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); c_уд – удельная теплоемкость, Дж/(кг · К); ρ – плотност, кг/м³; n – частота вращения скребков, 1/с; z – количество скребков, шт.

Результатом решения уравнения стационарной теплопроводности Фурье для описания конвективного переноса тепла в процессах нагрева (охлаждения) высоковязких жидкостей для скребковых охладителей определен вид уравнения подобия для расчета теплоотдачи от очищаемой скребками поверхности

Nu = 1,13 Re ^0,5 Pr ^0,5, (7)

где Nu, Re, Pr – соответственно критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля.

и получен расчет теплоотдачи от очищаемой скребками поверхности вида

 = А ( с_р  n z)^0,5, (8)

где А – коэффициент пропорциональности, равный значению 1,13.

Основное отличие конкретного вида уравнения теплообмена (2) заключается в численном значении поправочного коэффициента f к коэффициенту пропорциональности А, который зависит от условий использования и типа оборудования (для нагревания или охлаждения), вида теплообменника, характеристик сырья, т. е.

 = А (, с_р,  n z)^0,5 f, (9)

где f – поправочный коэффициент.

Таким образом, введенная поправка, как показывают эксперименталь-ные данные исследователей, отражает влияние производительности охладителя, частоты вращения скребковой мешалки, вязкости рабочей среды, числа скребков и размеров кольцевого канала. Отмечается тенденция к снижению значения коэффициента при возрастании вязкостных свойств рабочего вещества и уменьшении производительности исследуемого агрегата.

Реальные значения коэффициента теплоотдачи в скребковых охладителях отличаются от значений предложенных теоретических решений и требуют в каждом конкретном случае введения поправочных коэффициентов.

Так, анализ процесса теплообмена в цилиндрических скребковых охладителях показал, что для расчета процесса теплообмена при охлаждении жироводных эмульсий 60–82 %-й жирности может быть использована зависимость (при значении f = 0,3) вида

 = 0,34 ( с_уд  n z)^0,5. (10)

Для агрегатов промышленной производительности с частотой вращения (8,5–12,0) 1/с значение поправочного коэффициента доходит до 0,35.

Анализ интенсивности теплообмена при охлаждении высокожирных сливок в пластинчатом охладителе со скребками, выполненный с учетом определения поправочного коэффициента, показал, что

 = 0,29 . (11)

Значения коэффициента практически могут находиться в пределах от 0,1 до 0,4.