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;
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
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*(то-тм)+см*мм)*(tо-tк))/(то-тк)
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.