В А Піддубний - Енергетичні впливи явищ коалісценсії газової фази - страница 1

Страницы:
1 

УДК 663.62

Піддубний В.А., доктор технічних наук, Національний університет харчових технологій

 

 

ЕНЕРГЕТИЧНІ ВПЛИВИ ЯВИЩ КОАЛІСЦЕНСІЇ ГАЗОВОЇ ФАЗИ

 

Досягнуто оцінки енергетичних впливів явищ коалісценсії, що супровод­жують масовий барботаж газової фази через рідинне середовище, визначено можливості одержання високих рівнів дисперсності газової фази.

Ключові слова: енергія, потужність, коалісценсія, поверхня поділу, фаза, дисперсність, параметри.

 

Достигнута оценка энергетических воздействий явлений коалисценсии, сопровождающих массовый барботаж газовой фазы через жидкостную среду, определены возможности получения высоких уровней дисперсности газовой фазы.

Ключевые слова: энергия, мощность, коалисценсия, поверхность раздела, фаза, дисперсность, параметры.

 

Процеси утворення поверхні поділу фаз в газорідинних середовищах є енергетичними і вони мають місце, наприклад, за барботажу газової фази або за десорбції діоксиду вуглецю з культуральних середовищ. У відповідності до принципу Ле Шательє відбуваються явища коалісценсії газових бульбашок [1­5]. Визначення рівнів змін енергетичних впливів склало завдання цього дослідження.

Десатурація середовища може відбуватися як за рахунок масообміну з наявною газовою фазою, так і з утворенням нових бульбашок. В обох випадках має місце коалісценсія, яка суттєво змінює міжфазну поверхню. Розглянемо енергетичні співвідношення, що супроводжують ці процеси.

На першому етапі цього пошуку зупинимося на оцінці питомих енергетичних характеристик газових бульбашок, визначаючи їх відношенням енергії Е утворення поверхні поділу фаз fe до об'єму бульбашки V6:

E=af6; f6=^d2; V6=-^-:rd3:

 

6a7rd 6aде о - коефіцієнт поверхневого натягу.

Разом з тим відомо, що складова Лапласівського тиску

 

Рл = -^р (2)

Е/У|РЛ

У відповідності з формулами (1) та (2) обидві характеристики відобража­ються еквідістантними гіперболами (див. рис). Як бачимо, енергія формозміни бульбашок наростає швидше, ніж внут­рішній Лапласівський тиск зі зменшен­ням діаметра. \

4a/d

...............  d

------------

Розглянемо співвідношення пара­метрів системи з п бульбашок за їх коа- q

лісценсії. 0

Залежності питомих енерговитрат

Для них енергія утворення по-    на утворення поверхні поділу фаз і

верхні поділу фаз

Е = na:rd2. (3) їх коалісценсія приведе до нового утворення з тим же об'ємом з новим діаметром dH. Тоді маємо

п       1  

 

(4)

ЗВІДКИ

 

 

 

Тоді

 

 

 

а співвідношення енергій

 

Е dTT = л/nd.

n

 

 

 

Ен =a7rd2 =a7r(Vn~d)

 

 

 

7rnad"


 

(5)

 

 

 

(6)



Таким чином, явище коалісценсії супроводжується зміною енергетичного рівня системи і ця зміна пов'язана з переходом потенціальної енергії поверхні поділу фаз в кінетичну енергію рідинного середовища. За характером взаємодії між бульбашками у процесі коалісценсії можна стверджувати, що додаткова турбулізація середовища підвищує коефіцієнт масопередавання, але одночасно завершення процесу приводить до зменшення поверхні контактування фаз. У зв'язку з цим комплексну оцінку цього явища слід шукати за величиною об'єм­ного коефіцієнта масопередавання kv. Разом з тим явище коалісценсії пов'язане зі збільшенням розмірів бульбашок по мірі їх піднімання і зменшення гідро­статичного тиску.

Якщо погоджуватися на існування взаємозв'язку між рівнем дисперсності газової фази і енергетичним забезпеченням зон її утворення, то логічно припус­тити, що й існування бульбашок в режимі барботажу та проходження через культуральне середовище забезпечується підтриманням відповідного енерге­тичного рівня у всьому об'ємі. Про існування певних співвідношень на такому рівні відомо з багатьох спостережень і на нього ж вказує умова (1), за якою енергетичний потенціал газової бульбашки суттєво зростає зі зменшенням її діаметру.

Звідси витікає можливість суттєвого покращення рівня дисперсності газо­вої фази за рахунок локалізації зони її утворення. До подібного ж висновкуможливо прийти аналізуючи роботу ежекційних масообмінних апаратів, дис-пергаторів тощо.

На підтвердження цієї думки оцінимо рівень потужності, що досягається в барботажних аераційних пристроях. У зв'язку з цим скористаємося парамет­рами, які відповідають апаратам для вирощування дріжджів.

Повітряний потік входить в контактування з рідинною фазою в зоні роз­ташування барботажних елементів. При цьому з точки зору інтересів диспер­гування газової фази принципове значення має кінетична енергія системи, тоді як рівень стискання газової фази (тобто потенціальна енергія) на процес не впливає.

За кількості повітря, що подається на апарат, 7000 м /год його масові витрати складуть

м»=^Г=2>51кг/с-

Потужність цього потоку визначається через швидкість, з якою він кон­тактує з рідинною фазою:

М w2

_ пов

(8)

В рекомендаціях, за якими пропонується вести розрахунок барботажних аераційних систем можна знайти широкий діапазон швидкості транспортування повітря від 8 до 15 м/с, аж до 25-30 м/с.

Раніше було показано [1], що для досягнення рівня дисперсності газової


Орієнтуючись на наведену величину газового потоку 2,51 кг/с у табл. 2 наведено розрахунки за формулою (8).фази 5 та 1 мм потужності енергії створення поверхні поділу фаз повинні складати відповідно

N0j005 =0,57kBt; N0j001 =2,282кВт. (9)

Порівнюючи ці результати з даними табл. 2, бачимо, що вони відповіда­ють рівням швидкості біля 22 та 45 м/с. Проте маємо можливість визначити точні значення швидкостей:


 

w0001 =,/—г-Н =J  '             =47,4м/с.

 

За зазначених раніше розмірів газових бульбашок 0,0288 мм потужність створення поверхні поділу фаз складає

N0 0000288= 29400кВт.

 

2-29400 ,

W 0,0000288 = У     2 =153,ІМ/С.

Одержані результати вказують на можливість суттєвого підвищення ефективності використання барботажних аераційних систем.

Діапазони швидкостей повітря до 40-50 м/с цілком можливі у досягненні з використанням сучасної техніки. Відомо, що з точки зору інтересів економіч­ної ефективності використання повітроводів за показниками втрат тиску, реко­мендований діапазон швидкостей складає 20-30 м/с.

Технологія досягнення зазначених умов з точки зору виконання барбо­тажних систем повинна орієнтуватися саме на підвищення швидкостей в барбо­тажних отворах, тоді як повітроводи і надалі можуть експлуатуватися зі зна­ченнями швидкостей транспортування повітря 20-25 м/с. Розрахунок площі от­ворів барботажних елементів повинен враховувати зменшення об'ємних витрат газу за рахунок його стискання. Останній процес відбувається як швидкоплин­ний в компресорах або турбоповітродувних машинах, а тому його можна рахувати близьким до адіабатного, для якого за нашими умовами

Vl vrl

Pi  I vr2 J


(10)де pi/p2 - співвідношення тисків; k - показник адіабати.


 

(11)

Тоді площа барботажних отворів складе

барб


г2

V,

W


гі


V,


(12)

Важливою перевагою пропозиції щодо підвищення енергетичного рівня зони формування поверхні поділу фаз є те, що ця локалізація стовідсотково стосується саме її. Додамо, що при цьому нівелюється залишкова роль впливу діаметрів барботажних отворів, який має обмежену роль при відносно обмеже­них швидкостях. Весь досвід і спроби використання керамічних, металокера­мічних матеріалів для виготовлення барботажних елементів показали малопо­мітну їх ефективність в умовах високих рівнів аерації. Лише за обмеженої кіль­кості газів, що транспортуються через них досягаються в якійсь мірі задовільні результати.

Поєднуючи інтереси технології виготовлення барботажних елементів і задовільного їх розташування по площі поперечного перерізу апарата слід пого­дитися з пропозиціями щодо діаметрів отворів 3-4 мм.

 

 

Висновки

1.    Явища коалісценсії газових бульбашок супроводжуються трансформа­цією потенціальної енергії утворення поверхні поділу фаз у кінематичну енер­гію рідинної фази.

2.    Підвищеня рівня дисперсності газової фази в рідинній пов'язано з локальним введенням енергії в зону утворення газової фази.

Для досягнення утворення газової фази з діаметрами бульбашок 2-3 ммслід призначати швидкість газової фази в барботажних отворах ра рівні 40-50 м/с.

 

 

Література

1.               Піддубний В.А. Наукові основи і апаратурне оформлення перехідних процесів харчових і мікробіологічних виробництв. Автореф. дисерт. на здобуття ступеня докт. техн. наук. - К.: НУХТ. - 2008. - 47 с.

2.               Дубінін О.О., Переяславцев О.М., Тахістова Г.О. Визначення швид­кості внутрішньої циркуляції робочого середовища в ерліфтних апара­тах // Харчова промисловість. - К.: НУХТ, - 2003. - № 2. с. 91-92.

3.               Тахістова Г.О., Аністратенко В.О., Дубінін О.О. Аналітичне визначення мінімального швидкісного напору газової фази, при якому відбувається розрив вільної поверхні шару рідини // Наукові праці УДУХТ. - К.: УДУХТ. - 1998. -№ 4. - С. 20-21.

4.               Соколенко А.И. Исследование процессов аерации питательных сред и разработка новых конструкций дрожжерастильных аппаратов. - Дисс. на соиск. ученой ст. к.т.н., К.: КТИПП. - 1972. - 171 с.

5.               Соколенко А.И., Украинец А.И., Яровой В.Л. и др. Справочник специа­листа пищевых производств. - К.: АртЭк, 2003. - 432 с.

Страницы:
1 


Похожие статьи

В А Піддубний - Енергетичні впливи явищ коалісценсії газової фази

В А Піддубний - Аналіз особливостей і переваг перехідних процесів в харчових технологіях