ЛР - Вакуумное охлаждение

9

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

ΔM_i,j=

с начальными

τ=0; Т(х,o)=T₀; P(x,o)=P_o

и граничными условиями

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

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

х – 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 (_ΔG_j) паров, удаленных из камеры за шаг расчета по времени _Δτ:

_ΔG_j=Q·_Δτ·ρ_j ,

где ρ_j – плотность паров воды, кг/м³:

;

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

Т_ср,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 V_к.о. – объем камеры охлаждения, м³;

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

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

ΔG_i,j+1=

где М_i – масса i – ой ячейки ;

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

V_хлеба– объем хлебобулочного изделия, м³;

V_яч– 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 = (c_в*(т_о-т_м)+с_м*м_м)*(t_о-t_к))/(т_о-т_к)

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
	Начальная масса образца, г
	Масса образца в конце эксперимента, г
	Убыль влаги, ℅
	Начальное давление, кПа
	Конечно давление, кПа
	Начальная температура образца, С
	Конечная температура образца, С
	Начальная температура в камере, С
	Конечная температура в камере, С
	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.