Науково-практичні засади удосконалення ежекційних апаратів харчових виробництв

Abstract

Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування удосконалення ежекційних апаратів харчових виробництв, розвиток теорії рідинно-газових ежекторів, на основі теоретичних, експериментальних і CFD- досліджень удосконалення та розробка перспективних конструкцій ежекторів і високоефективного обладнання для харчової промисловості. У першому розділі дисертації розглянуто методи інтенсифікації технологічних процесів та зроблено висновок про доцільність застосування ежекторів (ежекційних апаратів) у харчовій промисловості. При роботі вони суміщають в собі гідродинамічні явища, кавітаційні ефекти, інтенсивне оновлення поверхні контакту фаз, можливість ежектування достатньої кількості пасивного потоку без додаткових затрат енергії для проведення технологічних процесів. Основним недоліком ежекторів є низький коефіцієнт корисної дії (до 40 %), а проведений літературний огляд щодо математичного забезпечення, конструктивного виконання та роботи такого обладнання дозволив встановити: - відомі аналітичні моделі для розрахунку ежекторів у повній мірі не враховують структуру двофазного потоку в камері змішування, складні фізичні явища, які в ній виникають, потребують введення поправочних чи емпіричних коефіцієнтів; - відомі рекомендації по раціональному конструктивному виконанню ежекторів та їх елементів мають обмеження у використанні; - розбіжності в результатах досліджень; - невизначеність до налаштування параметрів комп’ютерного моделювання у зв’язку з чим неоднозначність результатів такого дослідження. На прикладі використання ежекційних апаратів у технологічних процесах цукрової промисловості (сульфітація та сатурація) встановлено, що відомі конструкції струминних сульфітаторів та сатураторів не дозволяють досягти високих якісних показників очищення технологічних рідин. Поясненням цього можуть бути похибки, які допущені при проектуванні ежекторів, у яких в значній мірі проходять тепломасообмінні процеси. Тому, науково-практичні засади удосконалення ежекційних апаратів харчових виробництв, створення енергоефективних ежекторів та обладнання на їх основі є актуальною задачею. У другому розділі дисертації представлена математична модель рідинно- газового ежектора з конічно-циліндричною (комбінованою) камерою змішування, яка розроблена на основі рівняння балансу мас і рівняння балансу енергії у вигляді рівняння Бернуллі, та методика визначення коефіцієнта ежекції (Кеж). Проведені розрахунки коефіцієнта ежекції показали адекватність розробленої математичної моделі експериментальним даним. У третьому розділі дисертації висвітлені результати експериментальних досліджень роботи форсунок та рідинно-газових ежекційних апаратів, які проводилися на лабораторній установці кафедри Технологічного обладнання та комп’ютерних технологій проектування НУХТ. Експериментальні дослідження дозволили встановити: причину недостатньої ефективності роботи струминного сульфітатора типу ПСК; діапазон раціональних значень основного геометричного параметра ежектора (m), при якому досягається найвищий коефіцієнт ежекції. На цей діапазон впливає тип робочого сопла ежектора (для ежекторів з струминною форсункою m = 15 – 35, відцентрово-струминною форсункою з профільованою вставкою m = 20 – 40, форсункою з відкритими на 60 % нахиленими підвідними каналами m = 25 – 40); коефіцієнт ежекції ежектора з конічно-циліндричною камерою змішування на 15 – 55 % вищий (залежно від значення m) від Кеж ежектора з циліндричною камерою змішування; залежність коефіцієнта ежекції від конструкції приймальної камери. Приймальна камера з двома патрубками підведення пасивного середовища і газорозподільником дозволяє збільшити Кеж на 13 – 17 % для ежектора з циліндричною камерою змішування та на 16 – 27 % для ежектора з комбінованою камерою змішування; вплив фізичних властивостей рідин на роботу ежекторів. Збільшення концентрації цукру та крохмалю у розчині до 16,6 %, при тисках подачі рідини у форсунку до 0,2 МПа, призводить до зменшення Кеж на 4 % для цукрового розчину та на 9 % для крохмального розчину. Зі збільшенням тиску подачі рідини в робоче сопло ежектора понад 0,2 МПа Кеж не залежить від концентрації компонентів у рідині. Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячений дослідженню роботи форсунок та рідинно-газових ежекторів за допомогою CFD-технологій в середовищі академічної версії програмного пакету ANSYS 2020 R2. Проведене комп’ютерне моделювання роботи відцентрово-струминної форсунки з профільованою вставкою, відцентрово-струминної форсунки з нахиленими підвідними каналами, які відкриті на 60 %, та ежекторів з циліндричною і комбінованою камерами змішування дозволило встановити: формування факелу розпилення рідини відцентрово-струминних форсунок відбувається на відстані до 150 мм від зрізу сопла; вперше комп’ютерне моделювання підтвердило наявність розрідження у факелі розпилення, яке максимальне в прикорневій зоні, зменшується до периферії факела та по його довжині, що пояснює ежектування газової фази всередину факела розпиленої рідини; в ежекторі з циліндричною камерою змішування на відстані до 1,5Dкз від її початку відбувається первинне формування двофазного потоку, його переформатування на ділянці 1,5 – 3Dкз з подальшим переходом у кільцевий режим течії; у ежекційному апараті з комбінованою камерою змішування зона первинного формування двофазного потоку зменшується до 1,3Dкз від її початку, а подальша стабілізація рідинно-газової суміші починається на відстані від 2,5Dкз. На основі комплексних досліджень розроблено перспективні конструкції рідинно-газових ежекторів та обладнання для проведення технологічних процесів харчових виробництв, які представлені у п’ятому розділі дисертаційної роботи. До них відноситься ежектор з конічно-циліндричною камерою змішування, кавітаційний ежектор, імпульсний ежектор, двосекційний сатуратор, сульфітатор з вертикальною камерою змішування. Теоретичне і СFD дослідження роботи форсунок та ежекторів дозволили отримати такі нові наукові результати: виконано формалізоване подання зв’язків між конструктивними особливостями ежектора з конічно-циліндричною камерою змішування і коефіцієнтом ежекції, а також методику його визначення; запропоновано створення конічної розрахункової області для дослідження факела розпилення CFD методами; виявлено зону пониженого тиску у факелі розпилення; встановлено зони формування двофазного потоку в камері змішування ежекторів. Практичне значення результатів дисертаційної роботи: розроблено методику визначення коефіцієнта ежекції ежектора з конічно- циліндричною камерою змішування; за результатами досліджень розроблено та підтверджено патентами України (патент на винахід № 122296 “Рідинно-газовий ежектор”, патент на корисну модель № 136465 “Рідинно-газовий ежектор”, патент на корисну модель № 143080 “Імпульсний ежектор”, позитивний висновок по заявці на винахід а202106026 “Кавітаційний ежектор”) конструкції інноваційних енергоефективних ежекторів; наукові дослідження дозволили розробити високоефективне та екологічне обладнання для цукрової промисловості (сульфітатор з вертикальною камерою змішування та двосекційний сатуратор, конструкція якого захищена патентом України на корисну модель № 133260); результати виконаних наукових досліджень впроваджені на ДП “Фесто” при удосконаленні вакуумних ежекторів (розрахунковий річний економічний ефект для одного удосконаленого ежектора складає 4 276,8 грн.); результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес Національного університету харчових технологій у вигляді лабораторної роботи з дисципліни “Інноваційне обладнання харчових виробництв”; прогнозований економічний ефект від впровадження результатів наукових досліджень на цукровому заводі після модернізації сатуратора складає 8 364 608,6 грн. Соціально-екологічний ефект від використання розробленого обладнання полягає в зниженні кількості агресивних викидів у атмосферу, що зменшує негативний вплив на навколишнє середовище. The aim of the dissertation work is the scientific substantiation of improvement of ejector apparatuses for food production, development of the theory of liquid-gas ejectors, based on theoretical, experimental and CFD studies of improvement and development of promising designs of ejectors and highly efficient equipment for the food industry. In the first chapter of the dissertation work methods of intensification of technological processes are considered and the conclusion about expediency of application of ejectors (ejector apparatuses) in food industry is made. When working, they combine hydrodynamic phenomena, cavitation effects, intensive renewal of the phase contact surface, the possibility of ejecting a sufficient amount of passive flow without additional energy costs for carrying out technological processes. The main disadvantage of ejectors is the low efficiency (up to 40%), and the literature review of the mathematical support, design and operation of such equipment made it possible to establish: - known analytical models for calculating ejectors do not fully take into account the structure of the two-phase flow in the mixing chamber, the complex physical phenomena that occur in it require the introduction of correction or empirical coefficients; - known recommendations on the rational design of ejectors and their elements have limitations in use; - discrepancies in research results; - the uncertainty of setting the parameters of computer simulation in connection with which the ambiguity of the results of such a study. By the example of using ejection apparatuses in technological processes of sugar industry (sulphitation and saturation) it is established that the known constructions of jet sulphitators and saturators do not allow achieving high quality indicators of technological liquids purification. The explanation for this can be inaccuracies that were made in the design of ejectors, in which to a large extent pass heat and mass exchange processes. Therefore, the scientific and practical bases for improving the ejector apparatuses of food production, creating energy-efficient ejectors and equipment on their basis is an urgent task. The second chapter of the dissertation presents a mathematical model of the liquid- gas ejector with a conical-cylindrical (combined) mixing chamber, developed on the basis of the mass balance equation and the energy balance equation in the form of the Bernoulli equation, and a method of determining the ejection coefficient (Kej). The calculations of the ejection coefficient showed the adequacy of the developed mathematical model to the experimental data. The third chapter of the dissertation reflects the results of experimental studies of nozzles and liquid-gas ejection apparatuses, which were carried out on the laboratory setup of the Department of Technological Equipment and Computer Design Technologies of NUFT. Experimental studies made it possible to establish: the reason for the insufficient efficiency of the jet sulfitator of the PSK type; a range of rational values of the main geometric parameter of the ejector (m), at which the highest ejection coefficient is achieved. This range is influenced by the ejector operating nozzle type (for the ejector with a jet nozzle m = 15 – 35, a centrifugal jet nozzle with a profiled insert m = 20 – 40, a nozzle with 60 % open angled underwater channels m = 25 – 40); ejection coefficient of the ejector with a combined mixing chamber is 15 – 55 % higher (depending on m value) than that of the ejector with a cylindrical mixing chamber; dependence of the ejection coefficient on the design of the receiving chamber. The receiving chamber with two passive medium inlet spigots and a gas distributor allows to increase Kej by 13 – 17 % for the ejector with a cylindrical mixing chamber and by 16 – 27% for the ejector with a combined mixing chamber; influence of physical properties of liquids on operation of ejectors. Increase of sugar and starch concentration in the solution up to 16,6% at liquid supply pressure in the nozzle up to 0.2 MPa leads to decrease of Kej by 4% for sugar solution and by 9% for starch solution. With the increase of liquid supply pressure to the working nozzle of the ejector more than 0.2 MPa, Kej does not depend on the concentration of components in the liquid. The fourth chapter of the dissertation work is devoted to the study of the operation of nozzles and liquid-gas ejectors by means of CFD technologies in the environment of the academic version of the software package ANSYS 2020 R2. Conducted computer simulation of the centrifugal jet nozzle with a profiled insert, a centrifugal jet nozzle with inclined underwater channels open by 60 %, and ejectors with cylindrical and combined mixing chambers allowed to establish: formation of the liquid spray torch of centrifugal jet nozzles occurs at a distance of up to 150 mm from the nozzle cut; for the first time, computer modeling confirmed the presence of rarefaction in the spray torch (maximum rarefaction is achieved in the root zone of the spray torch, decreases to the periphery of the torch and along its length), which explains the ejection of gas phase into its middle; in the ejector with a cylindrical mixing chamber at a distance up to 1.5Dmc from its beginning there is an initial formation of the two-phase flow, its reformatting at the section – 3Dmc with subsequent transition to the annular flow regime; in the ejection device with a combined mixing chamber, the zone of primary formation of the two-phase flow decreases to 1.3Dmc from its beginning, and further stabilization of the liquid-gas mixture begins at a distance of 2.5Dmc. On the basis of comprehensive research, promising designs of liquid-gas ejectors and equipment for technological processes of food production, which presented in the fifth chapter of the dissertation, have been developed. These include ejector with a conical- cylindrical mixing chamber, cavitation ejector, pulse ejector, two-section saturator, sulfitator with a vertical mixing chamber. Theoretical and CFD study of the operation of nozzles and ejectors allowed to obtain the following new scientific results: a formalized representation of the links between the design features of the ejector with a conical-cylindrical mixing chamber and the ejection coefficient, as well as a method of its determination was performed; - it is proposed to create a conical calculation area for the study of the spraying torch by CFD methods; - a zone of reduced pressure in the spraying torch was discovered; - the zones of two-phase flow formation in the mixing chamber of the ejectors were established. Practical significance of the results of the dissertation work: a method for determining the ejection coefficient of an ejector with a conical- cylindrical mixing chamber was developed; according to research results developed and confirmed by patents of Ukraine (invention patent No. 122296 “Liquid-gas ejector”, utility model patent No. 136465 “Liquid-gas ejector”, utility model patent No. 143080 “Impulse ejector”, positive conclusion on the application for the invention a202106026 “Cavitation ejector”) designs of innovative energy-efficient ejectors; scientific research allowed developing high-efficiency and environmentally friendly equipment for sugar industry (sulphitator with vertical mixing chamber and two-section saturator, which design is protected by patent of Ukraine for useful model No.133260); the results of scientific researches are implemented at SE “Festo” during the improvement of vacuum ejectors (estimated annual economic effect for one improved ejector is 4 276,8 UAH); the results of the dissertation work are implemented in the educational process of the National University of Food Technologies in the form of laboratory work on the discipline “Innovative equipment of food production”; the predicted economic effect of implementation of the results of scientific research on the sugar factory after the modernization of the saturator is 8 364 608,6 UAH. Socio- ecological effect of using the developed equipment consists in reducing the number of aggressive emissions into the atmosphere, which reduces the negative impact on the environment.