Methods of intensification of the processes of crystallization in cryogranulation of liquid suspensions in liquid nitrogen. The research of destinations of front changing of boiling regimes

Full Text

Замораживание – это процесс частичного или полного превращения жидкости замораживаемого продукта в лед. На сегодняшний день из всех известных способов замораживания используется криогранулирование. Процесс криогранулирования является основным в комплексе по сублимированию продукта или хранению в криобанках. Это сложный процесс, который протекает в нескольких стадиях: первой стадией является подготовка продукта для получения заданных свойств, например, концентрация. Второй стадией является процесс гранулирования с получением заданного диаметра. Третья стадия – процесс замораживания полученных гранул в хладагенте. Для этого используются различные хладагенты от низкотемпературных фреонов до криогенных веществ. Криогранулирование жидких материалов – основной элемент криодисперсной технологии получения органических и неорганических порошкообразных материалов. Качество конечного продукта определяется степенью монодисперсности получаемых гранул и режимом их замораживания. Для получения непрерывного потока монодисперсных капель в криодисперсной технологии используются каплегенераторы различных типов. Для увеличения интенсификации процесса кристаллизации используются различные системы поддержания и контроля давления и температуры диспергируемой жидкости, а также различные диспергаторы. Замораживание потока капель – один из наиболее важных этапов криодисперсной технологии. Наличие фазового перехода – это отличительная особенность процесса замораживания. В процессе затвердевания и охлаждения капель жидкости происходит формирование кристаллической структуры, что в конечном итоге определяет качество готовой продукции. При этом размеры образующихся кристаллов определяются скоростью замораживания. Стадия быстрого замораживания определяется составом растворенного вещества и концентрацией капель. Процесс кристаллизации при этом развивается по – разному с различной скоростью образования кристаллов. При этом размеры образующихся кристаллов определяются скоростью замораживания. С увеличением скорости охлаждения средний размер частиц целевого продукта уменьшается. Самоорганизация системы в монодисперсную происходит при скоростях охлаждения не менее 102 – 103 К/с. Кроме того, скорость замораживания влияет и на другие специфические свойства гранулируемого материала (возможность сегрегации компонентов раствора и др.). В настоящее время одним из основных требований к процессу замораживания является обеспечение высокого качества продукта. Известно, что качество замораживаемого продукта зависит от скорости протекания процесса замораживания [3, 4]. Высокое качество гидробионтов достигается при режиме, отвечающем быстрому замораживанию, т.е. когда скорость продвижения фронта кристаллизации к термическому центру продукта составляет не менее 5 см/ч [5]. Понижение температуры и увеличение коэффициента теплоотдачи позволяет интенсифицировать процесс замораживания. При замораживании гидробионтов интенсификация процессов замораживания морепродуктов легко реализуется в известном способе с использованием жидкого и парообразного азота при температурах среды менее минус 150°С в сочетании с высокими значениями коэффициентов теплоотдачи. При криогенном замораживании тепло от продукта отводится как за счет кипения жидкого азота, попадающего на продукт, так и за счет конвективного теплообмена между парами азота и продуктом. Согласно исследованиям, рассмотренным в работах [6, 7], для определения коэффициента теплоотдачи от продукта к азоту можно воспользоваться критериальным уравнением Nu = 0,021·Re0,8·Pr0,4, (1) где: Nu, Re, Pr – соответственно критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандтля. В качестве определяющего размера принимаем расстояние от поверхности продукта до распылительных форсунок. Теплофизические характеристики охлаждающей среды принимаются такими же, как для насыщенного пара азота. Теплообмен при фазовых превращениях, особенно при кипении, отличается большой сложностью и относится к тем видам теплообмена, для которых имеется наиболее противоречивая и наименее достоверная информация [7, 8]. Теплообмен при кипении зависит от многих факторов: комплекса физических параметров рабочей среды, состояния и формы поверхности, давления, температуры, теплоты фазового перехода, условий распространения тепла в каждой из фаз. При кипении азота в большом объеме рассматривают три режима кипения: пузырьковый, переходный и пленочный [8]. В каждом режиме коэффициенты теплоотдачи существенно отличаются друг от друга. На основании экспериментально полученной зависимости удельного теплового потока q от разности температур ΔТ между температурой поверхности и температурой кипения азота [8] получена графическая зависимость a= f (∆T), приведенная на рисунке 1. Анализ зависимости a= f (∆T) при различных режимах кипения показал: · при пузырьковом режиме кипения, когда ∆T < 10 К, a= 1000-7000 Вт/(м2 • К); · при пленочном режиме кипения, когда ∆T > 60 К, a = 100-200 Вт/(м2 • К), что значительно меньше, чем при пузырьковом кипении. Последнее обусловлено образованием паровой пленки на поверхности продукта, являющейся термическим сопротивлением. - Рисунок 1 – Зависимость удельного теплового потока q и коэффициента теплоотдачи α от разности температур ΔТ между температурой поверхности и температурой кипения азота при пузырьковом (1), переходном (2) и пленочном (3) режимах кипения: 1 - зависимость q = f(ΔT); 2 - зависимость α= f(ΔT) Для условий замораживания азотом значения ∆T > 60 К [8]. Однако при орошении продукта жидким азотом имеют место как пленочный, так и пузырьковый режимы кипения. Очевидно, что действительное значение коэффициента теплоотдачи будет больше, чем при пленочном режиме, но меньше, чем при пузырьковом. Связано это с тем, что капли азота, образовавшиеся при распылении его в распылительных трубках, двигаясь в потоке с определенной скоростью, при попадании на продукт разрушают паровую пленку. При этом имеет место непосредственный контакт капель азота с поверхностью. Однако неизвестно, какова доля пленочного и пузырькового режимов кипения в общем теплообмене при орошении азотом. Для анализа эксперимент проводился в ванне жидкого азота при атмосферном давлении на линии насыщения. В качестве нагревателя была использована пластина толщиной 1.2 мм и поверхностью теплоотдачи 77х22 мм2.Поверхность теплоотдачи была ориентирована горизонтально вверх. Рисунок 2 – Результаты измерений режимов кипения при тепловом потоке 9Вт/см2 Рисунок 3 – Расчет теплового потока из данных эксперимента Визуальные наблюдения и данные говорят о пульсационном характере движения границы очага пленочного кипения. После вычисления скорости перемещения изотерм четко выраженный автоволновой характер наблюдается только в области пленочного кипения. Из приведенного анализа следует, что теплообмен в окрестности границы очага пленочного кипения протяженностью большей тейлоровской волны существенно отличается от квазистационарного. Процесс замораживания капель осуществляют при непосредственном контакте с хладагентом или на охлаждаемой поверхности. При контакте с хладагентом замораживание происходит в объеме жидкого хладагента (жидкий азот). При этом можно получить гранулы сферической формы диаметром 1-5 мм. При низкотемпературной обработке монодисперсность может нарушаться из-за слияния капель в полете, а также в момент падения на поверхность хладагента. Для предотвращения этого нежелательного явления предлагается организовать замораживание капель в парах азота таким образом, чтобы частицы успевали замерзнуть до попадания на поверхность хладагента. Разрабатывался расчет по охлаждению и криогранулированию капель в блоке замораживания, в результате которого были определены методы интенсификации данного процесса, а также длина блока замораживателя, зависимость блока замораживателя от температуры паров азота Тс, начальной температурой капель Тн, скорости истечения потока капель ν в следующем диапазоне значений параметров : Тс=80 – 80 К, Тн=273-373 К, ν=07 м/с, диаметр 1-5 мм. Известно, что для процессов быстрого замораживания важную роль играет относительное содержание воды в замораживаемом продукте. В суспензии содержится 70-75% воды, в которой могут быть растворены химические вещества. Замерзание основной части воды происходит в интервале температур от минус 1 до минус 7°С с максимальным образованием кристаллов. При криогенных температурах в морозильной камере время прохождения этого интервала мало, а кристаллизация сопровождается образованием множества мелких кристаллов. При традиционных температурах, например, в камере с воздушным замораживанием наблюдается медленное прохождение указанного интервала температур, что приводит к образованию крупных кристаллов льда. Большие кристаллы льда приводят к значительным повреждениям мембраны клеток (если, например, замораживаем биологические вещества, в частности бактерии пивных или пекарских дрожжей). При осуществлении дефростации из клеток выделяется сок, вследствие чего клетки частично гибнут. Поэтому быстрое достижение низких температур продукта способствует увеличению его выживаемости. Результаты расчетов Анализ результатов решения показал, что для интенсификации процесса криогранулирования необходимо уменьшать длину блока замораживания гранул, расход жидкого азота, а для захолаживания системы и поддержания рабочей температуры необходимо: 1) снижать скорость истечения потока капель до предельных значений, при которых еще возможно обеспечение их монодисперсности; 2) снижать начальную температуру диспергируемой жидкости в ступени предварительного охлаждения до температуры, близкой к температуре кристаллизации; 3) максимально снижать температуру паров азота, что особенно важно для капель D>3 мм в рассмотренном интервале температур. Результаты расчетов опробованы к криогрануляторе периодического действия на кафедре ХКТ в МГУИЭ.

About the authors

S. V. Belukov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Ph.D., Prof.

R. E. Malyshev

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

References

Supplementary files