Введение Нередко в теплообменных аппаратах пищевой промышленности и общественного питания, в частности, в аппаратах с рубашкой, процесс конденсации пара протекает на плоской горизонтальной поверхности теплообмена. Такой поверхностью, например, являются днища варочных сосудов пищеварочных котлов, емкостных аппаратов, сковород с косвенным обогревом и т.п. Как известно [1-3], процесс конденсации пара в таких условиях происходит в присутствии неконденсирующихся газов. Поэтому интенсивность конденсации пара из парогазовой смеси и происходящего при этом переноса тепла зависит от последовательно протекающих взаимосвязанных процессов: подвода пара к поверхности конденсации, собственно процесса конденсации и переноса тепла через слой конденсированной фазы. В этом случае суммарное термическое сопротивление ∑R, величину, обратную результирующему коэффициенту теплоотдачи αсм, расчленяют на термическое сопротивление конденсата Rпл, термическое сопротивление фазового перехода Rф и диффузионное термическое сопротивление Rд [4]: ΣR = Rпл +Rф +Rд. (1) Для определения коэффициента теплоотдачи при конденсации чистого пара на горизонтальной плоской поверхности можно использовать теоретические решения и расчетные формулы работы [5]. Однако определение диффузионной составляющей процесса в таких условиях наталкивается на определенные трудности. Учитывая, что конвективный перенос от парогазовой смеси к конденсату пренебрежимо мал в сравнении с выделяющейся теплотой фазового перехода, термическое сопротивление подвода пара к поверхности конденсации можно определить по формуле: , (2) где tп,о, pп,о - соответственно температура и парциальное давление пара в основной массе парогазовой смеси; tп,пов, pп,пов - соответственно температура и парциальное давление пара на границе раздела фаз; r = f(tп,пов) - теплота фазового перехода; βр - коэффициент массоотдачи от парогазовой смеси к поверхности конденсатной пленки. Отсутствие объективных данных по массо- и теплоотдаче при конденсации пара из парогазовой смеси на плоской горизонтальной поверхности обусловило целесообразность проведения дополнительных исследований. Объект и методы исследования Решение поставленной задачи проводили опытным путем. Основой экспериментального стенда, принципиальная схема которого представлена на рис. 1, являлся варочный сосуд с горизонтальным днищем 1 диаметром 380 мм, обогреваемый насыщенным водяным паром снизу. Рис. 1. Схема экспериментального стенда Генерация пара осуществлялась в парогенераторе 2 с ТЭНами 3, прикрепленном к днищу варочного сосуда. В опытный стенд также вошли: калориметр 4 с системой водоснабжения 5, предназначенный для определения теплового потока, система термометрии, служащая для измерения температур парогазовой смеси и горизонтальной поверхности теплообмена, 8, 13, 14, электрическая схема с приборами 6, позволяющая регулировать тепловую мощность, система откачивания воздуха из паровой полости 7. Измерение температуры парогазовой смеси и днища варочного сосуда проводилось с помощью термопар 8 с хромель-копелевым кабелем диаметром 0,2 мм, термостатированием свободных концов 15 и потенциометром типа ПП-63 поз. 9 класса точности 0,05. Экспериментальные исследования процесса теплоотдачи из парогазовой смеси базировались на методе стационарного теплового потока как наиболее полно отвечающем требованиям поставленной задачи [6]. С момента наступления стационарного режима работы стенда, определяемого по автоматическому потенциометру КСП-4 поз. 14, производили фиксацию температур горячих спаев термопар и термометров 13, измеряли массовый расход воды через калориметр с помощью мерного сосуда 10 и весов 11, а также определяли давление в парогазовой области по манометру 12. Измерения проводили при различной подводимой тепловой мощности. Результаты и их обсуждение Обработку опытных данных проводили в соответствии с рекомендациями работы [7]. Тепловой поток, передаваемый через горизонтальное днище и воспринимаемый калориметром, определяли по формуле Q = Gв · Cрв · (tв2 -tв1), (3) где Gв - массовый расход воды через калориметр; Cрв - удельная теплоемкость воды при постоянном давлении; tв1, tв2 - соответственно температура воды на входе в калориметр и выходе из него. В этом случае результирующий коэффициент телоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси на горизонтальной поверхности варочного сосуда рассчитывали с помощью закона Ньютона-Рихмана: (4) где F - площадь днища варочного сосуда; tп,о - среднеобъемная температура основной массы парогазовой смеси; tс - средневзвешенная температура поверхности днища со стороны паровой полости. Как и в работе [2], при обработке опытных данных по массообмену использовали систему критериев вида , (5) где - критерий Нуссельта диффузионный; - критерий Архимеда; - концентрация воздуха в основной массе парогазовой смеси; - безразмерная разность парциальных давлений пара. В представленных выше критериях входят физические величины, расшифровка и методика определения которых приведены ниже. 1) Коэффициент массоотдачи βр определяли по формуле: , (6) где - плотность потока массы (пара). Непосредственное измерение температуры на границе раздела фаз наталкивается на значительные трудности, поэтому значение tп,пов, по которому в расчет вводили pп,пов, определяли путем итерационных вычислений из соотношения , (7) где αпл - коэффициент теплоотдачи при конденсации чистого пара. Для определения коэффициента теплоотдачи при конденсации чистого пара на плоской горизонтальной поверхности использовали критериальное уравнение, представленное в работе [3]: , (8) где λ, σ, υ, a, с, γ - соответственно коэффициенты теплопроводности, поверхностного натяжения, кинематической вязкости, температуропроводности, удельная теплоемкость и удельный вес конденсата. При совместном решении уравнений (7) и (8) физические константы в уравнении (8) относили к средней температуре пленки конденсата . Согласно работе [5], величина , пропорциональная отрывному диаметру падающей капли конденсата, является единственным определяющим размером системы. Поэтому при обработке опытных данных по тепло- и массообмену в качестве характерного размера l, входящего в критерии Nuд и Ar, также использовали величину . 2) Коэффициент диффузии Dp, отнесенный к градиенту парциального давления пара, рассчитывали по следующей зависимости: , (9) где D - концентрационная диффузия водяного пара в воздух; Rп - газовая постоянная водяного пара; Tп,о - абсолютная температура пара в основной массе парогазовой смеси, получаемая экспериментально. В общем случае суммарный перенос вещества путем молекулярной диффузии является следствием концентрационной диффузии, термической диффузии и бародиффузии. Однако, согласно [4], два последних вида переноса пренебрежимо малы в сравнении с первым, поэтому в расчет Nuд вводили только концентрационную диффузию, определяемую зависимостью [8]: , (10) где D0, p0, T0 - соответственно коэффициент диффузии, давление и температура при номальных физических условиях; pсм - давление парогазовой смеси в условиях опыта. Численные значения величин D0 и n были приняты в соответствии с рекомендациями [8]. 3) Плотность смеси на границе раздела фаз ρсм,пов и основной массы смеси ρсм,о определяли по формулам: , (11) , (12) где Tп,пов - абсолютная температура пара на границе раздела фаз; - концентрация воздуха на границе раздела фаз. 4) Парциальное давление неконденсирующегося газа (воздуха) в основной массе смеси pг,о и на границе раздела фаз pг,пов находили на основании закона Дальтона: . (13) 5) Кинематическую вязкость основной массы смеси υсм,о определяли из соотношения: , (14) где ρсм,о - плотность основной массы парогазовой смеси; μсм,о - динамический коэффициент вязкости смеси. Величину μсм,о рассчитывали по следующей формуле [4]: , (15) где μп, μг - соответственно динамический коэффициент вязкости пара и воздуха, выбираемые по температуре tп,о. Результаты обработки опытных данных, приведенные на рис. 2, представляли в виде следующей зависимости: . (16) Рис. 2. Массообмен при конденсации пара из парогазовой смеси на горизонтальной плоской поверхности Согласно работам [2,9], показатель степени у критерия Ar в зависимости (16) был принят 0,25. Как видно из рис. 2, опытные точки в логарифмической системе координат с относительной ошибкой 4,5 % укладываются около прямой линии, что не превышает погрешность опытов. В результате математической обработки экспериментальных данных для процесса массообмена получена критериальная зависимость: . (17) Здесь следует отметить, что показатели степени у εг,о и Пg хорошо согласуются с данными работ [5, 10]. Для оценки полученных результатов экспериментальный коэффициент теплоотдачи αсм (4), сравнивали с его расчетным значением, полученным по формуле: . (18) Результат проверки признан удовлетворительным. Таким образом, с помощью полученной зависимости (17), можно проводить объективные теплотехнические расчеты процесса конденсации пара из парогазовой смеси на плоской горизонтальной поверхности.аппаратов.с.рубашкой.