Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка предназначена для физического модели­рования процесса увлажнения воздуха и снятия разгонной влажностной характеристики камеры.

Общий вид экспериментальной установки представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Экспериментальная установка для физического моделирования баланса влажности в камере хранения: 1 – камера; 2 – термогигроанемометр; 3 – вентилятор; 4 – заслонка вентилятора; 5 – отверстие в кожухе вентилятора; 6 – вентиляционное отверстие; 7 – имитатор штабеля продукции; I – движение воздуха при вентилировании; II – движение воздуха при увлажнении

Камера 1 представляет собой замкнутый объем с вентиляционным отверстием 5, которое может открываться и закрываться. Стенки камеры выполнены из вла­гостойкого картона, передняя стенка из стекла. На противоположной от венти­ляционного окна стенке камеры расположен вентилятор 3 с заслонкой 4.

Для перемещения воздуха по камере при увлажнении и закрытых заслонках 4 и 6 в кожухе вентилятора предусмотрено отверстие 5.

В качестве имитатора штабеля продукции используется ткань смачиваемая в емкости перед началом проведения эксперимента.

Для измерения влажности и температуры используется термогигроанемометр ТКА-ПКМ модель 60, принцип работы которого основан на преобразовании климатических параметров с датчиков в электрический сигнал.

Термогигроанемометр устанавливается на верхную часть камеры измерительной головкой вниз, с которой предварительно снимается защитый колпачок.

Ход эксперимента

Перед началом работы необходимо стабилизировать влажность в камере с наружной влажностью воздуха в помещении. Для этого открывают стеклянную боковую стенку камеры, извлекают имитатор штабеля продукции, открывают вентиляционные отверстия 4, 6 и включают вентилятор 3, рабо­тающий до тех пор, пока влажность воздуха внутри камеры φ_н не достигнет постоянного значения.

Параллельно процессу стабилизации влажности ткань имитатора штабеля продукции увлажняется в емкости с водой и отжимается.

После того, как параметры физической модели установлены в исходное состояние, приступают к получению разгонной характеристики увлажнения камеры.

С этой целью устанавливают имитатор штабеля продукции в центр камеры, закрывают заслонку вентиляционного отверстия 4 и 6 и включают вентилятор 3, через определенные промежутки времени (каждую минуту) осуще­ствляют отсчет температуры и влажности воздуха внутри камеры по показаниям термогигроанемометра, получаемые данные фиксируют в протоколе проведения испытаний, таблица 2.1.

Спустя определенный промежуток времени, после того как параметры влажности достигли некоторого фиксированного значения осуществляют процесс осушения. Для этого открывают вентиляционные отверстия 4 и 6 и продолжают отсчет по показаниям термогигроанемометра, значения при этом также фиксируют в протоколе испытаний. После того как влажность и температура воздуха в камере достигла некоторого фиксированного значения выключают вентилятор, термогигроанемометр и закрывают защитным колпачком измерительную головку.

Значения температуры и влажности, полученные в ходе эксперимента, заносят в таблицу протокола проведения испытаний.

Таблица 2.1 – Протокол проведения лабораторной работы по исследованию баланса влажности в камере хранения

Режим	Время, мин.	Показатель термометра0С	Влажность φ, %
Увлажнение	0	tн	φн
	1
	2
	3
	4
	5
	6
	7
	8
	9	tу	φу
Осушение вентилятором	10
	11
	12
	13
	14
	15
	16
	17
	18
	19	tо	φо

Обработка результатов испытаний

Обработка результатов сводится к построению разгонной характерис­тики влажности в процессе увлажнения и осушения (вентиляции) и рас­чету параметров влажного воздуха в камере.

1. Определение количества влаги в процессе увлажнения и осушения

При расчете параметров влажного воздуха принимаются следующие значения: плотность наружного воздуха ρ=1,2 кг/м³, габариты камеры: длина а = 0,75 м; ширина b = 0,32 м; высота h = 0,45 м.

На основании экспериментальных данных, полученных в ходе увлажнения воздуха в камере (закрыты заслонки 4 и 6), заполняют соответствующие строки таблицы 2.2 по расчету параметров влажного воздуха при увлажнении и осушении.

Количество влаги до и после увлажнения находят по Hd – диаграмме для влажного воздуха (приложение 2) по перпендикулярам точек пересечения температуры и влажности воздуха. Эта диаграмма была предложена профессором Л. К. Рамзиным в 1918 г. и широко применяется в расчетах систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха и процессов сушки.

Количество влаги при увлажнении W_у вычисляют по формуле:

W_у=V_к×ρ×D_dy×0,001 (2.3)

где V_к – объем камеры, м³; D_dy – разность влагосодержаний при увлажнении, г/кг.

После проведения необходимых расчетов параметров влажного воздуха, заполняют соответствующие строки таблицы 2.2.

Количество влаги при осушении W_о вычисляют аналогично формуле 2.3:

W_о=V_к×ρ×D_dо×0,001 (2.3)

где D_dо – разность влагосодержаний при осушении, г/кг.

Таблица 2.2 – Расчет параметров влажного воздуха при увлажнении и осушении

Параметр	Формула	Результат
Плотность наружного воздуха, кг/м3	ρ
Габариты камеры, м:
длина	a
ширина	b
высота	h
Объем камеры, м3	Vк=abh
Увлажнение
Начальная температура, оС	tн
Начальная относительная влажность воздуха в камере, %	φн
Конечная температура, оС	tу
Конечная относительная влажность воздуха в камере, %	φу
Влагосодержание воздуха до увлажнения, г/кг	Dby
Влагосодержание воздуха после увлажнения, г/кг	Dky
Разность влагосодержаний, г/кг	Ddy=Dky - Dby
Количество влаги после увлажнения, кг	Wv=Vк×ρ×Ddy×0,001
Осушение
Начальная температура, оС	tу
Начальная относительная влажность воздуха в камере , %	φу
Конечная температура, оС	tо
Конечная относительная влажность воздуха в камере, %	φо
Влагосодержание воздуха до осушения, г/кг	Dbi
Влагосодержание воздуха после осушения, г/кг	Dki
Разность влагосодержаний, г/кг	Ddо=Dbi - Dki
Количество влаги после осушения, кг	Wо=Vк×ρ×Ddо×0,001

2. Построение разгонной влажностной характеристики увлажнения и осушения

По результатам эксперимента, указанным в протоколе проведения испытаний строят разгонную влажностную характеристику, как показано на рисунке 2.1.

По графику находят время необходимое для достижения постоянной влажности, отдельно для режима увлажнения и осушения.

Отчет

Отчет содержит:

1. Схему камеры и направления движения влажного воздуха при увлажнении и осушении.

2. Таблицу исходных данных и результата измерений.

3. Графическую зависимость влажности от времени увлажнения и осушения (вентиляции).

4. Результат расчета параметров влажного воздуха.

Контрольные вопросы

1. Что такое абсолютная и относительная влажность воздуха?

2. Почему воздух с температурой 0°С и относительной влажностью 100% снижает относительную влажность воздуха в помещении с температурой 20° с 40 до 30%? (см. приложение 1)

3. Какие способы увлажнения вы знаете?

4. Каковы оптимальные паарметры микроклимата и как влияет влажность на состояние человека?

Лабораторная работа №3. Исследование инфракрасной сушилки растительной продукции

Цель: изучить устройство и принцип действия инфракрасной конвек­тивной сушилки растительной продукции. Экспериментально определить ее энергетические характеристики.

Общие сведения

Различают капиллярную и химически связанную воду в продукте. Ка­пиллярная вода подразделяется на свободную (макрокапиллярную), расположенную в капиллярах радиусом более 10^-7 м и гигроскопическую (микрокапиллярную), которая находится в капиллярах радиусом менее 10^-7 м

Свободная вода заполняет капилляры толь­ко при непосредственном соприкосновении с последними. Гигроскопи­ческая вода проникает в микрокапилляры путем непосредственного со­прикосновения с материалом и путем сорбции из влажного воздуха.

Высокое содержание свободной влаги в продукте способствует ее порче вследствие развития микроорганизмов, поэтому с целью сохранения качества продукции ее подвергают сушке, под которой понимается процесс удаления жидкости (в любой фазе) из материала.

Процесс испарения влаги с поверхности высушиваемого продукта в су­шильной технике называют процессом внешней диффузии влаги. Чем боль­ше поверхность высушиваемого продукта и скорость движения воздуха, выше температура и ниже относительная влажность воздуха (сушильно­го агента), тем интенсивнее идет испарение влаги с поверхности.

При сушке происходят следующие процессы: испарение влаги с поверхности высушиваемого материала; передвижение влаги из внутренних частей высушиваемого продукта к его поверхности; обмен тепла между сушильным агентом и высушиваемым продуктом.

Сушка продукции может осуществляться естественным и искусственными способами.

1. Естественная сушка – это сушка за счет энергии солнечных лучей, основным компонентом которых является инфракрасное излучение (ИК). Она осуществляется на открытом воздухе или под наве­сом с естественной или принудительной вентиляцией.

Искусственная сушка в зависимости от способов передачи тепла осуществляется конвективным, кондуктивным, радиационным и комбинированным методами. Широкое распространение получило активное вентилирование.

2. Конвективная сушка сводится к использованию нагретого воздуха и в настоящее время имеет достаточно широкое распространение. В качестве энергоносителя применяют пар, электрические нагреватели. Конвективная сушка основана на разности парциальных давлений пара сушильного агента и пара, находящегося над поверхностью высушиваемого материала. Чем выше разность парциальных давлений, тем интенсивнее процесс сушки.

Парциальное давление представляет собой давление только одного компонента газовой смеси.

3. Кондуктивная (контактная) сушка основана на передаче теплоты материалу при соприкосновении с горячей поверхностью. Воздух при этом способе служит только для удаления водяного пара из сушилки и является влагопоглотителем. Горячая поверхность чаще всего обогревается водяным паром, температура которого выше 100 ⁰С, поэтому слои материала, контактирующие с горячей поверхностью, могут достичь этой температуры и происходят местные перегревы. Из-за этого степень растворимости сухих продуктов, полученных по данному способу, составляет 80…85 %. Обязательное условие при данном способе сушки – хороший контакт материала с греющей поверхностью.

4. Микроволновая сушка основана на воздействии на обезвоживаемый продукт интенсивного электромагнитного поля сверхвысоких частот (СВЧ). Под действием СВЧ поля молекулы воды (диполи) начинают совершать колебательные и вращательные движения, ориентируясь с частотой поля по его электрическим линиям. Движение молекул - это и есть тепловая энергия. Чем больше воды в заданном объеме, чем больше молекул участвует в этом движении, тем больше тепловой энергии выделяется. Таким образом, разогрев происходит во всем объеме продукта, причем более влажные участки получают больше энергии. За счет этого происходит удаление влаги, сушка продукта, и, одновременно, - выравнивание влажности в объеме продукта. Причем температура вне объекта остается низкой, нагревается только сам объект.

5. Сублимационная сушка основана на явлении сублимации или возгон­ки, при которой влага из твердой фазы - льда - переходит в газообразную -пар, минуя жидкую. Принцип сублимационной сушки основан на том физическом факте, что при значениях атмосферного давления ниже определенного порога – так называемой «тройной точки» (для чистой воды: 610 Па при 0°С) вода может находиться только в двух агрегатных состояниях - твердом и газообразном, переход воды в жидкое состояние в таких условиях невозможен. И если парциальное давление водного пара в окружающей среде ниже чем парциальное давление льда, то лед продукции прямо переводится в газообразное состояние, минуя жидкую фазу.

   6. Акустическая сушка производится путем воздействия на обезвоживаемый продукт интенсивных ультразвуковых волн.

Принципиальная особенность способа заключается в том, что сушка продуктов протекает без повышения температуры продуктов. Именно поэтому это единственный способ сушки, пригодный для сушки термочувствительных и легко окисляющихся материалов.

7. Инфракрасная (радиационная) сушка основана на поглощении инфракрасного излучения (длина волны более 800 нм.) облучаемым телом, что приводит к увеличению теплового движения атомов и молекул, что и вызывает его нагревание. За счет проникновения ИК-излучения в продукт на 5...12 мм создается температурный градиент, который из продукта спо­собен успешно удалять влагу. На эту глубину проникает небольшая часть энергии излучения, но температура слоя, лежащего на расстоянии 6…7 мм от поверхности материала, растет значительно интенсивнее, чем при нагреве конвективным способом.

Инфракрасное излучение определенной длины волны активно поглощается водой, содержащейся в продукте, но не поглощается тканью высушиваемого продукта, поэтому удаление влаги возможно при невысокой температуре (40…60°С), что дает практически полностью сохранить витамины, биологически активные вещества, естественный цвет, вкус и аромат подвергающихся сушке продуктов. Оборудование для сушки овощей и фруктов, мяса и рыбы, зерна, круп и других пищевых и непищевых материалов основанное на использовании инфракрасного излучения является наиболее перспективным в настоящее время. В качестве источника ИК - излучения используют электрические спи­ральные нагреватели с температурой поверхности 873…1173 К, лампы накаливания, кварцевые трубки с температурой нити до 2500 К, а также газовые горелки, в которых происходит беспламенное сжигание газа при температуре поверхности 1073…1173 К.

Пропускание энергии излучения подчиняется экспоненциальной зависимости

Т=Т₀×е^-bх (3.1)

где Т - проницаемость слоя, %; Т₀=1-R₀ - доля лучистой энергии, вос­принятой материалом, %; R₀ - доля лучистой энергии, отраженной от поверхности материала, %; b коэффициент ослабления энергии; х - толщина расположения слоя.

Значительная плотность теплового потока на поверхности материала, а также проникновение в него инфракрасных лучей, существенно влияют на энергетические показатели сушки.