Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Описание экспериментальной установки

Лабораторная работа. Исследование фазовых переходов

 

Цель работы: исследование фазового перехода «жидкость-пар» и вакуумно-испарительного охлаждения влажных материалов.

Задачи работы:

 

1. Экспериментальное определение средней теплоты парообразования методом адиабатического охлаждения и сушки влажных материалов в вакууме.

2. Оценка эффективности вакуумного охлаждения влажных материалов.

 

Основные сведения

Вакуумное охлаждение это процесс охлаждения, при котором происходит быстрое испарение воды с поверхности продукта, что отводит большое количество скрытой теплоты, и таким образом продукт быстро охлаждается (рис. 1). Охлаждение продолжается до требуемой температуры при дальнейшем понижении давления.

Физическая модель вакуумно-испарительного охлаждения влажных материалов строится на следующих представлениях и допущениях:

– влажный материал рассматривается как капиллярно-пористое тело с высокой паропроницаемостью;

– в процессе вакуумно-испарительного охлаждения происходит пере-распределение влаги по объему материала, при этом его исходная влажность достаточна для его охлаждения без образования сухих зон и сплошных границ фазовых переходов;

– фазовые переходы «жидкость-пар» происходят во всем объеме влажного материала одновременно в соответствии с локальными значениями температуры и давления в каждой точке материала;

– фазовый переход происходит в отсутствии подвода тепла извне за счет уменьшения внутренней энергии материала и, как следствие, сопровождается уменьшением его температуры.

 

Рисунок 1 – ­Схема процесса вакуумно-испарительного охлаждения

 

Принципиальными являются первое и третье положение. В соответствии с ними при пониженных давлениях внутри пористых влажных материалов создаются условия для объемного адиабатического испарения и кипения жидкости. В отсутствии теплопритоков извне испарение и кипение жидкости приводит к одновременному охлаждению каждой частицы материала до температуры насыщенных паров воды, соответствующей давлению в камере. Так как паропроницаемость материалов считается высокой, то в них не возникают заметных градиентов давления и соответствующих им градиентов равновесной температуры.

Аналитическое описание рассматриваемой модели на использовании дифференциального уравнения теплопроводности с равномерно распределенными внутренними стоками тепла

где qv – интенсивность внутренних стоков тепла за счет фазового перехода капельной влаги в пар при вакуумировании;

 

ΔMi,j=

с начальными

τ=0; Т(х,o)=T0; P(x,o)=Po

и граничными условиями

τ>0; х=0; q(0,τ) =0; x=h; q(h,τ)=0; P(o,τ)=P(h,τ)=Pк(τ)

 

Приведенная система уравнений, включающая дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности в частных производных с внутренним стоком тепла, является нелинейной. При использовании явной разностной схемы для одномерной численной модели исследуемый фрагмент материала разбивается на n-отдельных ячеек. Для каждой из ячеек составляется и многократно решается разностный аналог дифференциального уравнения:

где – уменьшение температуры изделия в i – точке на j+1 временном слое за один шаг интегрирования, оС;

Dτ – шаг интегрирования по времени, равный в расчетах 0,001 с;

Dх – линейный размер ячейки, м;

а – коэффициент температуропроводности материала, м2/с.

 

При откачивания паров из камеры вакуумирования изменяется равновесие между фактическим давлением и давлением их насыщенных паров. Интенсивное испарение влаги сопровождается отбором тепла от материала и вызывает его охлаждение.

Численный расчет данного явления построен по следующему алгоритму.

Для камеры охлаждения в целом и для каждой из выделенных ячеек (их индекс i) за каждый шаг по времени (его индекс j) выполняются следующие операции:

а) при заданном объемном расходе (Q, м3/с) насосной системы, состоящей из поршневого вакуумно-насоса, находится масса (ΔGj) паров, удаленных из камеры за шаг расчета по времени Δτ:

ΔGj=Q·Δτ·ρj ,

где ρj – плотность паров воды, кг/м3:

;

где Рj – давление в камере охлаждения в j-й момент времени, Па;

Тср,j – средняя абсолютная температура теста-хлеба в j-й момент времени, К;

,

R – газовая постоянная, для воды R=461,5 Дж/(кг·К);

б) находится давление в камере охлаждения на j –том временном слое соответствующее удаленной массе паров:

где Vк.о. – объем камеры охлаждения, м3;

в) находится температура насыщенных паров Тн.п, соответствующая давлению ;

г) для каждой расчетной ячейки определяется масса испарившейся влаги: ΔGi,j+1 по формуле

ΔGi,j+1=

где Мi – масса i – ой ячейки ;

сi – теплоемкость i – ой ячейки, кДж/кг К;

Vхлеба– объем хлебобулочного изделия, м3;

VSяч– объем ячеек выделенного фрагмента хлебобулочного изделия, м3;

д) находим суммарное испарение:

е) уточняется давление в камере охлаждения, учитывая поступление в нее испарившейся влаги. При этом давление в камере охлаждения в конце шага расчета по j

Анализ исходной системы уравнений показывает, что изменение температуры внутри материала является функцией следующих факторов: его относительной влажности и начального распределения температуры, производительности вакуумного насоса, объема камеры охлаждения. Из расчетов (рис. 2) следует, что при разности начальной и конечной температур 12 оС, продолжительность конвективного охлаждения влажного материала при нормальном давлении составляет 10-15 мин. Вакуумно-испарительное охлаждение намного интенсивнее конвективного, протекает во всем объеме изделия одновременно. Это находит отражение в распределении температур по толщине материала. При вакуумном охлаждении оно быстро выравнивается и становится одинаковым по всему объему, а при конвективном центральные слои материала остывают в 10 раз медленнее, чем наружные.

 

Рисунок 2 – Изменение температуры по толщине материала при вакуумно-испарительном (а) и конвективном (б) охлаждении.

 


Описание экспериментальной установки

 

Лабораторная установка (рисунок 3,4) состоит из вакуумного насоса с коллектором, через который с помощью вакуумного насоса откачивается воздух из рабочих емкостей. Через крышку емкостей в вакуумируемые объемы вводятся два датчика температуры и электрические датчики абсолютного давления. Вторая емкость содержит колбу с нагревателем.

 

 

Рисунок 3 – Схема лабораторной установки «Фазовые переходы»

1 – вакуумный насос, 2 – испытуемый материал, 3 – термопара, 4 – первая рабочая емкость, 5 и 13 – датчики давления, 6 – крышка первой рабочей емкости, 7 – цифровой измеритель ТРМ 200, 8 – кран сброса вакуума, 9 и 10 – краны, 11 – регулятор ТРМ 202, 12 – крышка второй рабочей емкости, 14 – термопара, 15 – вторая рабочая емкость, 16 – нагреватель, 17 – колба.

 

 

Рисунок 3 – Фотография установки

 

При вакуумировании рабочих емкостей давление паровой фазы в них уменьшается, температура насылающих паров падает и в какой-то момент становится равной температуре жидкой фазы испытываемого образца. При этом можно наблюдать кипение воды при температурах существенно меньших 100°С или интенсивное испарение влажного материала и резкое снижение его температуры.

 

Порядок проведения работы:

1. Изучить методические указания, заготовить форму отчета о проведенной работе, в которую внести название и цель работы, основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной установки, заготовить таблицу 2 и 3 для записи результатов измерений и вычислений.

2. Установить в камеру пористый влажный материал с температурой 50-70°С, предварительно взвесив его в сухом ( ) и влажном состоянии ( ) на электронных весах с точностью 0,1 г.

3. Датчик температуры (3) установить внутрь испытываемого материала.

4. Подсоединить вакуумные камеры (4 и 15) и герметично закрыть крышками (6 и 12).

5. Открыть краны (9 и 10) соединяющие рабочие емкости с вакуумным насосом. Кран (8) сброса вакуума оставить закрытым.

6. Включить лабораторную установку с помощью автоматического выключателя 220В.

7. Включить компьютер и запустить программу проведения лабораторной работы «Вакуумное охлаждение» (рис. 5).

8. Включить в сеть вакуумный насос кнопкой «ВК1».

9. С компьютера снять показания температур внутри образца (T1) и давление в емкости (P) для пяти моментах времени.

10. Продолжать вакуумирование до прекращения падения давления и уменьшения температуры газовой среды. Автоматическая система измерения при этом фиксирует текущую величину давления в эксикаторе и температуру.

11. При установлении равновесной температуры и давления закрыть кран, и выключить насос.

12. Записать полученные данные в таблицу 2.

13. Перенести в отчет график фазового перехода вода-пар, зафиксированный системой автоматического измерения.

14. Сбросить давление краном (8), извлечь объект испытаний и измерить его массу ( ), на электронных весах с точностью 0,1 г.

15. Рассчитать потери влаги

 

 

Рисунок 5 – Лицевая панель программы.

 

16. Вычислить среднее значение теплоты испарения по формуле

r = (cв*(том)+смм)*(tо-tк))/(ток)

17. Полученные результаты записать в таблицу 3.

18. Установить в камеру пористый влажный материал с полным совпадением характеристик с первым испытуемым.

19. Датчик температуры (3) установить внутрь испытываемого материала.

20. Подсоединить вакуумные камеры (4 и 15) и герметично закрыть крышками (6 и 12).

21. Закрыть кран (10) и открыть кран (9) оставив одну рабочую емкость (4) соединенную с вакуумным насосом (1). Кран (8) сброса вакуума оставить закрытым.

22. Включить вакуумный насос (1) кнопкой «ВК1».

23. С компьютера снять показания температуры внутри образца (T1) и давление в емкости (P) для пяти моментах времени.

24. При установлении равновесной температуры и давления закрыть кран, и выключить насос.

25. Записать полученные данные в таблицу 2.

26. По таблице 2 построить графики зависимости температуры от времени и температуры от давления.

27. Повторить пункты с 3 по 26 для второго испытуемого материала.

28. Сравнить, сделать и записать выводы. Ответить на контрольные вопросы.

Таблица 2. Экспериментальные данные

Две емкости
Время τ, с          
Температура T1, K          
Давление P, Па          
Одна емкость
Время τ, с          
Температура T1, K          
Давление P, Па          

 

Таблица 3. Экспериментальные данные

 

№ п/п Измеряемые величины   Объект исследования
Материал №1 Материал №2
1. Начальная масса образца, г    
2. Масса образца в конце эксперимента, г    
3. Убыль влаги, ℅    
4. Начальное давление, кПа    
5. Конечно давление, кПа    
6. Начальная температура образца, °С    
7. Конечная температура образца, °С    
8. Начальная температура в камере, °С    
9. Конечная температура в камере, °С    
10. Время эксперимента, мин    

 


Контрольные вопросы

1. Из каких представлений строится физическая модель вакуумно-испарительного охлаждения влажных материалов?

2. Какие положения являются принципиальными для физической модели вакуумно-испарительного охлаждения влажных материалов?

3. Как изменяется температура внутри материала при конвективном и вакуумно-испарительном охлаждении?

 

Литература

1. Зорин В. М., Клименко А. В., Зорина В. М., Клименко А.В Теплоэнергетика и теплотехника: М. – Издательство МЭИ, 2001 г. ISBN: 5-7046-0512-5, 5-7046-0515-X

2. Малахов Н.Н., Плаксин Ю.М., Ларин В.А. Процессы и аппараты пищевых производств.- Орел .: Издательство ОрелГТУ, 2001.- 687с.

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.