Mejora de Transferencia de Calor de la Fase Tres de lecho fluidizado circulante Fruit Juice evaporador Usando inerte PartculasJitian Song y junio ChiAbstractoEn este trabajo, la concentracin de zumo de calabaza se llev a cabo usando un trifsico de circulacin del evaporador de lecho fluidizado. Las caractersticas de flujo y transferencia de calor del proceso de evaporacin se investigaron y se llevaron a cabo estudios paramtricos para identificar los parmetros que rigen en el proceso. Se encontr que la eficiencia de transferencia de calor se mejor en un 35 por ciento a travs de la adicin de las partculas inertes en el proceso de evaporacin de dos fases. Partculas inertes tambin inhibieron la formacin de incrustaciones en la concentracin de jugo de calabaza. Una ecuacin de correlacin del coeficiente de transferencia de calor de ebullicin se estableci para la trifsica circulantes evaporador de lecho fluidizado. Este trabajo mejora la comprensin de los tres-fase de circulacin del evaporador de lecho fluidizado, que es beneficiosa para su aplicacin ms amplia en el campo de procesamiento de alimentos.PALABRAS CLAVE: flujo trifsico, partculas inertes, evaporador de lecho fluidizado, transferencia de calor, jugo de calabazaAutor Notas: Mi mayor gratitud ante todo va a Liu Wenwu, por su orientacin perspicaz, asesoramiento oportuno y estmulo frecuente durante todo el proceso. Sin su ayuda y retroalimentacin positiva, la tesis nunca habra llegado a su forma actual. Tengo la suerte de haber contado con el apoyo inestimable de muchos individuos en el proceso de planificacin y ejecucin de esta investigacin. Gracias tambin a todas las personas que me han ayudado con o participado en el proyecto, incluidos los estudiantes, profesores y administradores que ayudaron de diferentes maneras. Por ltimo, pero no menos importante, estoy agradecido a mis padres que me dio mucho coraje y apoyos cuando estaba en problemas por escrito. Sin su ayuda desinteresada, mi tesis no podra haber sido escrito tan bien.1. INTRODUCCINLos intercambiadores de calor fluidizado cama, especialmente los fluidizado evaporadores de cama, se llaman como los auto-limpieza que tienen las ventajas de la mejora de la transferencia de calor y la prevencin de las incrustaciones. Por lo tanto, los intercambios de calor de lecho fluidizado son ampliamente utilizados en los procesos industriales que se encuentren ensuciamiento severo. Intercambiador de calor que contiene partculas slidas que se fluidizado por el lquido que tiene que ser calentado y / o evaporado se llama como el lecho fluidizado de flujo de tres fases evaporador vapor-lquido-slido y se investig por primera vez en los Estados Unidos entre 1965 y 1970 como salmuera calentadores en la desalacin de agua de mar. Los evaporadores de lecho fluidizado se han estudiado durante los ltimos 40 aos en los Pases Bajos, EE.UU., Alemania, Japn, Corea del Sur, China y otros pases: Schmidtke y Genthner (1990) describe un evaporador de circulacin forzada con partculas que circulan externos. Rautenbach dado una revisin completa de los desarrollos, aplicaciones y limitaciones de la tcnica de lecho fluidizado para la evaporacin de las aguas residuales con el potencial de escalamiento severa et al. (1991). Rautenbach y Katz (1997) discuten los principales criterios de diseo, tema de costos y la experiencia operativa a largo plazo de los intercambiadores de calor industriales que operan con un circulante uidization fl interna. Yu et al. (1999) investigaron la transferencia de calor y la inhibicin de la ampliacin de la fl gas-lquido-slido ow proceso de ebullicin, donde un gas inerte se introdujo en la parte inferior de los tubos de calefaccin verticales. Analizaron la mezcla de fluido de vuelta, las prdidas de media fuerza motriz y la erosin del tubo por fluidizado partculas en dichas instalaciones. Zhang y Li (2000) exploraron la ebullicin flujo de transferencia de calor vapor-lquido-slido con una circulacin forzada externa de partculas fluidizado. Klaren (2002) y Klaren et al. (2007) ha prestado principalmente atencin a la elaboracin y comercializacin de la circulacin forzada fluidizado intercambiador de calor de la cama y un gran progreso se ha hecho en el diseo o la renovacin de calentadores, evaporadores, hervidores y cristalizadores existentes en una con fi guracin de auto-limpieza desde 1975. Meewisse y Ferreira (2003) desarroll los modelos de coeficientes de transferencia de calor para las camas fl lquido-slido fluidizado con externo de circulacin forzada de partculas slidas para la generacin suspensin de hielo. Ahn et al. (2005) investigaron el efecto de las partculas slidas que circulan internos de las caractersticas ujo y de transferencia de calor fl en la circulacin forzada fluidizado intercambiador de calor de la cama. Aghajani et al. (2005) propusieron nuevos criterios de diseo para la fluidizado intercambiador de calor de lecho lquido-slido con interior circula partculas slidas para una amplia gama de fluidos newtonianos y no newtonianos. Hay varios modos de operacin para el lecho fluidizado evaporador en funcin del movimiento del fluidizado partculas y fuente de fuerza motriz, como natural interna de circulacin, natural de circulacin externo, interno de circulacin forzada, externo de circulacin forzada, etc. Entre estos modos de operacin, la evaporacin de circulacin natural, externo se observ con los mritos de la sencillala estructura, el funcionamiento y el ahorro de energa. Sin embargo, las caractersticas de transferencia de OW y de calor fl, especialmente las caractersticas de fluencia locales en un sistema de este tipo, no estn bien entendidos todava debido a la complejidad intrnseca de la fl vapor-lquido-slido ow proceso de ebullicin, as como las limitaciones de las tcnicas experimentales Visualizando. El conocimiento de tales proceso de evaporacin es limitada e incluso una buena comprensin de la hidrodinmica y las caractersticas de transferencia de calor es de gran importancia para el diseo y operacin del evaporador. Recientemente, se estableci un fluidizado evaporador cama vapor-lquido-slido con una circulacin natural externa para investigar las caractersticas ujo y de transferencia de calor fl mediante el uso de la tcnica de medicin CCD con ambas fuentes de luz blanca (2004) y fuentes de luz lminas lser (2006). En estos estudios, las partculas de poli-formaldehdo con un dimetro de 4 mm y una densidad de 1420 kg / m fueron utilizadas como la fase slida. La temperatura de la pared exterior se midi mediante el uso de un MX4 ultra-rojo termmetro. Los experimentos se llevaron a cabo en una operacin por lotes. El proceso de evaporacin de vapor-lquido-slido de las soluciones de alta viscosidad se investig en un evaporador con cinco tubos calentados (2005). Estas investigaciones primarias arrojan algo de luz sobre los mecanismos de transferencia de calor ujo y ebullicin fl vapor-lquido-slido. Sin embargo, el investigando mencionado en el trifsico evaporador de lecho fluidizado de vapor-lquido-slido, transferencia de calor y la escala se llev a cabo principalmente en el lquido qumico y algunos experimentos se llevaron a cabo en el lquido de los alimentos. Puesto que el lquido alimento son generalmente materiales sensibles al calor, que ponen requisitos especiales durante su proceso de concentracin y evaporacin. Por lo tanto, es necesario estudiar la aplicacin de la trifsica evaporador de lecho fluidizado vapor-lquido-slido para condensar algunos alimentos lquidos tales como zumos de frutas. En este trabajo, un trifsico circulantes evaporador de lecho fluidizado fue desarrollado y utilizado para la concentracin de jugo de calabaza alimento funcional, que generalmente causan problema ensuciamiento severo cuando el uso de algunos evaporador comn. Los experimentos se llevaron a cabo para entender las caractersticas de flujo y de transferencia de calor de este proceso de evaporacin y se llevaron a cabo estudios paramtricos para identificar los parmetros que rigen en el proceso. Este trabajo mejora la comprensin de la trifsica de circulacin del evaporador de lecho fluidizado y promueve su aplicacin en el procesamiento de productos alimenticios.2. MATERIALES Y EXPERIMENTOSLa figura 1 muestra esquemticamente el sistema de lecho fluidizado evaporacin existe fase de circulacin utilizado en este trabajo. Todo el sistema se compone de algunos subsistemas, tales como el sistema de circulacin externa material de suministro y, el sistema de calefaccin, el sistema de aspiracin y sistema de condensacin de vapor secundario. El vapor a alta temperatura se genera utilizando una caldera elctrica (WDR0.8-0.8). La parte principal de este sistema de evaporacin es el evaporador de lecho fluidizado que es un tubo de acero inoxidable con una dimensin de 5 x 3 x 1800 mm. A lo largo de la direccin axial del tubo 12 termopares (XS-20-K) se sueldan para medir la temperatura de la pared del tubo. La temperatura y la presin local tambin se controlan usando los medidores de sensores de temperatura de resistencia trmica y de presin por separado en estas posiciones-la entrada de vapor de agua, de entrada y salida de lquido de alimentacin, la salida de vapor secundario.1.Tank 2.Charging bomba 3.Circulating bomba 4.Drum 5.Preheater 6.Steely lecho fluidizado evaporador 7.Liquid tanque de almacenamiento 8.Vapor separador de lquido del tanque 9,20.Condenser 10,16.Storage tanque 11,17.Vacuum 12,18.Quicklime bomba 13,19.Vacuum tanque tanque 15.Measuring 21.Vacuum metros 22.Valve 23.Liquid separador de slidos 24.Differential manmetro 25,26.Flowmeter 27. tubo de vidrio de cuarzo de lecho fluidizado evaporadorFigura 1. Diagrama de flujo del vapor-lquido-slido experimental circulante evaporador de lecho fluidizadoFigura 2. Los esquemas del proceso de evaporacin de lecho fluidizado trifsicoLa Figura 2 muestra el proceso de evaporacin de lecho fluidizado trifsico en detalles. El jugo de calabaza desde el tanque de alimentacin, que fue impulsado por la bomba de circulacin, flua a travs de la pre-calentador elctrico. Cuando el jugo se pre-calienta a la temperatura especificada, se aadieron las partculas inertes en el jugo y luego el jugo entraron en la cmara de evaporador. En este experimento, el jugo fluy hacia abajo a lo largo de la pared interior del evaporador y form una pelcula de lquido. Vapor a alta temperatura flua hacia arriba a lo largo de la pared exterior del evaporador y el calor del vapor se transfirieron primero a la pared del evaporador y despus al zumo de calabaza. El jugo se calent y un poco de agua evaporada en vapor. Por lo tanto, el jugo se concentr. Despus de eso, el lquido con las partculas entr primero en el separador de lquido y las partculas para separar las partculas inertes, a continuacin, en el separador de vapor-lquido para separar el vapor. Despus de la separacin de partculas inertes y vapor, el zumo concentrado se vio obligado de nuevo en la cmara de evaporacin hasta que se logr la concentracin especificada. Las partculas inertes utilizados en este trabajo son los de cermica y de cristal (hechos en Zibo Xinhengli Nuevos Materiales Co. Ltd.) y sus propiedades fsicas se resumen en la Tabla 1. Los dimetros de partcula son el rango de 3 a 4 mm. Los jugos de calabaza con 3%, 5%, 7% de material slido solubilidad (la calabaza es calabaza larga, producido en Zibo boshan) se compran en el supermercado local y sus componentes se resumen en la Tabla 2.Tabla 1. Propiedad fsica de partculas slidas.propiedadMaterialesR Diamete (mm)Densidad (kg / m)Conductividad trmica, (W / m K)Espec fi co de calor, (kJ / kg K)formaVidrio 3 2.500 1.093 0,67 Esfera Cermica 2,8 2,660 0,98 1,09 Esfera Cermica 3,4 2,590 0,98 1,09 CilindroTabla 2. Los componentes del zumo de calabaza (100 ml).Artculos Agua (g) Carbohidratos (g) Protenas (g) K (mg) P (mg) Caroteno (mg) Valor 93.5 4.2 0.8 185 42 1,333. RESULTADOS Y DISCUSIONES3.1 Flujo de calor y de transferencia CaractersticasLa Figura 3 muestra midieron coeficientes de transferencia de calor del evaporador de lecho fluidizado circulante con partculas inertes (caso trifsico) y sin partculas (caso de dos fases) hirviendo. De la Figura 3, se puede observar que en comparacin con los casos de dos fases, el coeficiente de transferencia de calor en el caso de tres fases se increment aproximadamente 35%, acusar que la adicin de partculas inertes mejor en gran medida el rendimiento de la transferencia de calor del lecho fluidizado circulante evaporador. Cuando se aadieron partculas inertes en el jugo, estas partculas pueden actuar como los ncleos de vaporizacin y, por tanto, aument el nmero de los ncleos de vaporizacin. En segundo lugar, la adicin de partculas se increment la complejidad de flujo y la intensidad de la turbulencia lquido, disminuye el espesor de la capa lmite trmica, y tambin mejor la conductividad de calor del flujo de tres fases de vapor-lquido-slido. Estos hechos mencionados anteriormente ayudar a explicar la mejora de transferencia de calor del evaporador de lecho fluidizado circulante observado en la Figura 3.Figura 3. Boiling coeficientes de transferencia de calor en los dos y tres fases fluidizado evaporadores camaLa Figura 4 muestra la instantnea de los patrones de flujo en el interior del evaporador vapor-lquido-slido. Se observ que las partculas inertes eran completamente fluidizado por el jugo de calabaza. Figura 5 muestra la deposicin de la pared en el evaporador de lecho fluidizado con o sin partculas inertes. La deposicin de la pared se redujo en gran medida en el caso de proceso de evaporacin de tres fases. Esto puede ser a explicar por que durante la evaporacin jugo de calabaza, partculas slidas ayudaron a prevenir floculante agrupamiento de partculas en la pared del tubo: (1) partculas inertes slidos fueron suspendidos en el lquido, que dificult la difusora de la suciedad del lquido a la tubera de pared; (2) Las partculas slidas en esta tubera siempre una superficie de depsito para la suciedad del lquido y las incrustaciones en partculas es fcil en el lquido. Por lo tanto, la probabilidad de ensuciamiento depositar sobre la pared del tubo se redujo; (3) Las partculas slidas incidido contra la pared de transferencia de calor con frecuencia, que ayudan a limpiar las incrustaciones en la pared del tubo. De ese modo partculas inertes tienen un buen efecto de prevencin y limpieza de ensuciamiento en el evaporador y la pared del evaporador claro se observa generalmente durante el experimento la concentracin de jugo.Cancin y Chi: Heat Transfer Mejora de un evaporador Jugo de Frutas(a) partculas inertes en suspensin en el flujo (b) de flujo de tres fases de vapor-lquido-slidoFigura 4. El flujo de tres fases de vapor-lquido-slido en el interior del evaporadorFigura 5. Las instantneas de la deposicin de la pared del evaporador (a: dos fases; b: trifsica)3.2 Los estudios paramtricosEn este trabajo, se realizaron estudios paramtricos a cabo para estudiar el efecto del flujo I lquido, evaporacin Tv temperatura, fraccin de volumen de partculas Cs, diferencia de temperatura T, y forma de las partculas en el rendimiento de transferencia de calor del evaporador de lecho fluidizado circulante, con el objetivo de identificar la rige parmetros en el proceso de evaporacin. La Figura 6 muestra la relacin del coeficiente de transferencia de calor medido y el caudal de lquido. De la Figura 6, se puede observar que el coeficiente de transferencia de calor aumentlinealmente con el aumento de la tasa de flujo de lquido. Cuando aument el caudal de lquido, las partculas inertes se moveran ms al azar y producido ms remolinos en miniatura. Por lo tanto, la turbulencia lquido se intensific y esto benefici a la transferencia de calor de ebullicin; Por otra parte, cerca de la pared de la cama evaporador fluidizado, una gran cantidad de partculas inertes exista y se mova con la forma de flculos, probabilidad aumenta de contraccin entre partculas inertes y la pared del evaporador. La capa lmite de flujo laminar cerca de la pared del evaporador fue destruido por el contacto frecuente de partculas inertes y la pared y, por tanto, la transferencia de calor por conveccin se mejor.Figura 6. Las relaciones entre el coeficiente de transferencia de calor y flujo de lquidoLa Figura 7 muestran que el coeficiente de transferencia de calor aument linealmente con la temperatura de evaporacin. Esto podra explicarse por que cuando se eleva la temperatura de evaporacin, la viscosidad del fluido y la resistencia al flujo disminuye en consecuencia y el flujo de fluido se vuelve ms fcilmente turbulento, provocando una mezcla ms homognea de partculas lquidas y inertes. Adems, la tensin superficial del lquido reduce en el caso de una temperatura de evaporacin superior y por lo que la burbuja de gas es fcil de escapar del lquido en vapor. Todo lo anterior mencionado son ventajosos para mejorar el coeficiente de transferencia de calor.Figura 7. Las relaciones entre el coeficiente de transferencia de calor y temperatura de evaporacinDe la Figura 8, se puede observar que la adicin de partculas inertes mejorada la transferencia de calor hirviendo dentro del evaporador de lecho fluidizado. Cuando aumenta la fraccin de volumen de partculas, las partculas ms inertes aumentaron el nmero de los ncleos de vaporizacin, para mejorar la transferencia de calor de ebullicin y se intensificaron la turbulencia del flujo, se rompi la capa lmite trmica lquido para mejorar la transferencia de calor por conveccin. Cuando la fraccin de volumen de partculas aument hasta cierto punto, la mejora de transferencia de calor aument ligeramente, pero la resistencia al flujo fue ampliado en gran medida, haciendo que el aumento del consumo de energa. Por lo tanto, exista una fraccin de volumen ptimo de partculas y en este trabajo, se observ la fraccin de volumen de partculas (4% ~ 7%) para tener un buen efecto en la mejora de la transferencia de calor y la inhibicin y la limpieza de faltas sin causar resistencia al flujo grande.Figura 8. Las relaciones entre coeficiente de transferencia de calor y la fraccin de volumen de partculasLa Figura 9 muestra el coeficiente de transferencia de calor disminuy ligeramente con el aumento de la diferencia de temperatura. El flujo de calor aumenta con el aumento de la diferencia de temperatura, provocando el incremento de los ncleos de vaporizacin que se beneficiaron a ebullicin transferencia de calor. Sin embargo, cuando la diferencia de temperatura se increment hasta cierto punto, ms burbujas de gas se generaron y se formaron la pelcula lquida congelada cerca de la pared de calefaccin, el aumento de la resistencia trmica y por lo tanto la disminucin de la eficiencia de transferencia de calor. Esto puede explicar por qu el coeficiente de transferencia de calor descendi ligeramente junto con el aumento de la diferencia de temperatura. Estudio de la literatura muestra la transferencia de calor de las tres fases de lecho fluidizado circulante tambin est relacionada con las especies de partculas, as como sus propiedades fsicas tales como el tamao de partcula, masa y densidad. Pero en este trabajo, se estudia el efecto de partculas inertes en la transferencia de calor por considerar la forma de las partculas.Figura 9. Las relaciones entre el coeficiente de transferencia de calor y la diferencia de temperaturaDe la Figura 10, se puede observar que, bajo las mismas condiciones operativas tales como la fraccin de volumen y las partculas esfricas de dimetro, el coeficiente de transferencia de calor en el caso de partculas de cermica fue mayor que la de partculas de vidrio. Esto puede explicarse por: (1) la conductividad trmica de las partculas de cermica es mayor que el de las partculas de vidrio. Cuando las partculas de cermica estaban en una colisin con la pared del evaporador climatizada, ellos reciben ms calor de la pared, liberar el calor en el lquido y, por tanto, mejorar la transferencia de calor por conveccin. (2) La densidad de partculas de cermica es menor que el de las partculas de vidrio. Bajo el mismo caudal de fluidizacin lquido, la velocidad de las partculas de cermica era mayor que la de partculas de vidrio. As, con el mayor flujo de energa cintica y el impulso y la capacidad ms fuerte para destruir la capa lmite que era beneficioso para las partculas cermicas para mejorar el coeficiente de transferencia de calor. (3) La superficie de las partculas de cermica es ms spera que las partculas de vidrio. As que para las partculas con el mismo dimetro, el rea de superficie de las partculas de cermica es mayor que el de las partculas de vidrio. Cuando las partculas estaban en una colisin con la pared calentada, las partculas cermicas podran obtener ms energa de la pared y luego liberan ms calor, lo que mejora la transferencia de calor por conveccin.Figura 10. La relacin entre el coeficiente de transferencia de calor y tipos de partculasLa Figura 11 muestra que las partculas de cermica esfricas lograrse un mejor rendimiento de la transferencia de calor que los cilndricos. Debido a que la trayectoria de movimiento de las partculas era casi en la zona alrededor de s mismo haciendo movimiento de remolino y bajo el mismo volumen, la turbulencia de partculas esfricas era ms intensa. Con la produccin de grandes cantidades de burbujas, las partculas se vuelven gradualmente el grupo de partculas. Grupos de partculas y luego se separan, reagruparse, golpear la pared y alteran continuamente la capa lmite de la pared, lo que mejora la transferencia de calor por conveccin.Figura 11. La relacin entre la forma de las partculas inertes y coeficiente de transferencia de calor3.3 Experiencial Correlacin FrmulaA travs de estudios paramtricos, se obtuvieron el efecto de los parmetros de funcionamiento tales como la temperatura de evaporacin, velocidad de flujo de lquido, etc en el rendimiento de transferencia de calor estaban bien entender y algunos datos experimentales. Basndose en los datos experimentales, se estableci una frmula de correlacin experimental del coeficiente de transferencia de calor de flujo de tres fases hirviendo utilizando el mtodo de anlisis de dimensin para el caso de que la inercia partculas eran partculas de cermica con un dimetro de 3 mm a 4 mm. La frmula fue descrito de la siguiente maneraLa Figura 12 muestra el valor pronstico calculado por la frmula coeficiente de correlacin de transferencia de calor de acuerdo bien con el valor experimento.Figura 12. Comparacin del valor pronstico y el valor experimento sobre el coeficiente de transferencia de calor4. CONCLUSIONESEn este trabajo, la concentracin de zumo de calabaza se llev a cabo usando una de tres fases de circulacin del evaporador de lecho fluidizado. Se llevaron a cabo estudios paramtricos para identificar los parmetros que rigen en el proceso. Con base en los resultados experimentales, las siguientes conclusiones se pueden extraer:(1) El coeficiente de transferencia de calor del evaporador de lecho fluidizado circulante con el flujo de tres fases de vapor-lquido-slido mejor aproximadamente el 35% en comparacin con el evaporador de dos fases sin partculas bajo condiciones experimento actual (2) coeficiente de transferencia de calor del evaporador aument con el aumento de flujo I lquido, evaporacin Tv temperatura y fraccin de volumen de partculas. Es ligeramente disminuy con el aumento de la diferencia de temperatura. (3) Se observ que la adicin de partculas inertes tambin inhiben la formacin y faltas limpias durante la concentracin de jugo de calabaza. (4) Los estudios experimentales encontrado que en el proceso de evaporacin de material alimenticio durante el uso de tres fases evaporador de lecho fluidizado vapor-lquido-slido, si la temperatura de la pared del tubo de calor es menor que la de la pared de flujo de dos fases, lo har ser til para evaporar y condensar los materiales alimenticios sensibles al calor, ningn efecto sobre la calidad nutricional de alimentos en s.En total, el trifsica circulante evaporador de lecho fluidizado tienen ventajas de eficiencia de transferencia de calor y de auto-limpieza y es adecuado para la concentracin de jugo de calabaza. Las investigaciones sobre los materiales alimenticios de jugo de calabaza muestra que: el vapor - lquido - trifsica slida evaporador de lecho fluidizado formado por el tubo de la calefaccin lleno de partculas inertes tiene un buen rendimiento de transferencia de calor, la inhibicin de incrustaciones y la eliminacin, lo que podra resolver el sobre problemas -line de equipos de remocin de escala, mejorar la eficiencia econmica, reducir la temperatura de la pared de calefaccin y de ser tiles para condensar el lquido alimenticio sensible al calor. Por lo tanto, se abrir ciertas perspectivas de aplicacin en la industria alimentaria.nomenclaturaConcentracin de Ce-Lquido,%; Cpl- calor especfico a presin constante (lquido), J / (kg K); Fraccin de volumen de partculas CS-,%; D el dimetro del tubo de calefaccin, m; Tasa I- Lquido volumen de flujo, m / h;Coeficiente de transferencia de calor K, W / m K;Nmero Pr PrandtlRe nmero -Reynolds (lquido),Re nmero -Reynolds (vapor),Tv - temperatura de evaporacin, ; Diferencia de temperatura T, K; Coeficiente Smbolos griegos - calor convectivo de transferencia, W / (m K);

Viscosidad lquido que y vapor por separado; Pa s; l- conductividad trmica Lquido, W / (m K); lu, vu - lquido, caudal superficial de vapor, m / s;

- Lquido y vapor densidad separado, Kg / m3;