LR - Вакуумно охлаждане
Лабораторна работа. Изследване на фазовите преходи
Цел на работата:изследване на фазовия преход "течност-пара" и вакуумно-изпарително охлаждане на мокри материали.
Експериментално определяне на средната топлина на изпарение по метода на адиабатно охлаждане и сушене на мокри материали във вакуум.
Оценка на ефективността на вакуумно охлаждане на мокри материали.
Вакуумното охлаждане е процес на охлаждане, при който водата се изпарява бързо от повърхността на продукта, което отнема голямо количество латентна топлина и по този начин продуктът бързо се охлажда (фиг. 1). Охлаждането продължава до желаната температура с по-нататъшно намаляване на налягането.
Физическият модел на вакуумно-изпарително охлаждане на мокри материали се основава на следните концепции и предположения:
– мокрият материал се разглежда като капилярно-поресто тяло с висока паропропускливост;
- в процеса на вакуумно-изпарително охлаждане влагата се преразпределя в обема на материала, докато първоначалното му съдържание на влага е достатъчно за охлаждането му без образуване на сухи зони и непрекъснати граници на фазови преходи;
- фазовите преходи "течност-пара" възникват в целия обем на мокрия материал едновременно в съответствие с локалните стойности на температурата и налягането във всяка точка на материала;
- фазовият преход се случва при липса на подаване на топлина отвън поради намаляване на вътрешната енергия на материала и в резултат на това се придружава от намаляване на неговата температура.
Снимка 1 - Схема на процеса на вакуумно изпарително охлаждане
Първата и третата позиция са основни. В съответствие с тях при понижено налягане вътре в порести мокри материали се създават условия заобемно адиабатно изпарение и кипене на течността. При липса на приток на топлина отвън, изпарението и кипенето на течността води до едновременно охлаждане на всяка частица от материала до температурата на наситените водни пари, съответстваща на налягането в камерата. Тъй като паропропускливостта на материалите се счита за висока, в тях няма забележими градиенти на налягане и съответните равновесни температурни градиенти.
Аналитично описание на разглеждания модел въз основа на диференциалното уравнение на топлопроводимостта с равномерно разпределени вътрешни радиатори
където qv е интензитетът на вътрешните поглътители на топлина, дължащи се на фазовия преход на капкова влага в пара по време на евакуация;
∆Mi,j=
и гранични условия
Редуцираната система от уравнения, включително диференциалното уравнение на нестационарната топлопроводимост в частни производни с вътрешен радиатор, е нелинейна. Когато се използва изрична разностна схема за едномерен числен модел, изследваният материален фрагмент се разделя на n-отделни клетки. За всяка от клетките се съставя диференциален аналог на диференциалното уравнение и се решава многократно:
където
τ – стъпка на интегриране на времето, равна при изчисленията на 0,001 s;
х – линеен размер на клетката, m;
a– коефициент на топлопроводимост на материала, m 2 /s.
При изпомпване на парите от вакуумната камера се променя равновесието между действителното налягане и налягането на техните наситени пари. Интензивното изпаряване на влагата е придружено от отнемане на топлина от материала и предизвиква неговото охлаждане.
Численото изчисление на това явление се основава на следния алгоритъм.
За охладителната камера като цяло и за всяка от избраните клетки (техният индекс i) за всяка времева стъпка (неговият индекс j) се извършват следните операции:
а) при даден обемен дебит (Q, m 3 /s) на помпената система, състояща се от бутална вакуумна помпа, се намира масата (ΔGj) на парите, отстранени от камерата за времевата стъпка Δτ:
където ρj е плътността на водните пари, kg/m3:
където Pj е налягането в охладителната камера в j-тия момент от време, Pa;
Тср,j е средната абсолютна температура на тестото-хляб в j-тия момент от време, K;
R – газова константа, за вода R=461,5 J/(kg K);
b) е налягането в охладителната камера на j-тия времеви слой, съответстващ на отстранената маса на парите:
където Vk.o. е обемът на охладителната камера, m3;
в) намира се температурата на наситените пари Tn.p, съответстваща на налягане
г) за всяка изчислителна клетка се определя масата на изпарената влага: ΔGi,j+1 по формулата
∆Gi,j+1=
където Mi е масата на i-та клетка;
ci е топлинният капацитет на i-тата клетка, kJ/kg K;
Vbread - обемът на хлебен продукт, m 3;
Vcell - обемът на клетките на избрания фрагмент от хлебен продукт, m 3;
д) намерете общото изпарение:
е) налягането в охладителната камера се определя, като се вземе предвид навлизането на изпарена влага в нея. В този случай налягането в охладителната камера в края на изчислителната стъпка за j
Анализът на оригиналната система от уравнения показва, че промяната в температурата вътре в материала е функция на следните фактори: неговата относителна влажност и първоначалното разпределение на температурата, производителността на вакуумната помпа и обема на охлаждащата камера. От изчисленията (фиг. 2) следва, че с разликата между началния и крайниятемператури 12 o C, продължителността на конвективното охлаждане на мокър материал при нормално налягане е 10-15 минути. Вакуумното изпарително охлаждане е много по-интензивно от конвективното, то протича едновременно в целия обем на продукта. Това се отразява в разпределението на температурата по дебелината на материала. При вакуумно охлаждане бързо се изравнява и става еднакво в целия обем, докато при конвективно охлаждане централните слоеве на материала се охлаждат 10 пъти по-бавно от външните.
Фигура 2 - Промяна в температурата по дебелината на материала по време на вакуумно изпарително (а) и конвективно (б) охлаждане.
Описание на експерименталната настройка
Лабораторната инсталация (Фигура 3.4) се състои от вакуумна помпа с колектор, през който се изпомпва въздух от работните контейнери с помощта на вакуумна помпа. Два температурни сензора и електрически сензори за абсолютно налягане се вкарват в евакуираните обеми през капака на контейнерите. Вторият контейнер съдържа колба с нагревател.
Фигура 3 - Схема на лабораторната установка "Фазови преходи"
1 - вакуумна помпа, 2 - тестов материал, 3 - термодвойка, 4 - първи работен контейнер, 5 и 13 - сензори за налягане, 6 - капак на първия работен контейнер, 7 - цифров измервателен уред TPM 200, 8 - вакуумен предпазен клапан, 9 и 10 - кранове, 11 - регулатор TRM 202, 12 - капак на втория работен контейнер, 14 - термо двойка, 15 - втори работен контейнер, 16 - нагревател, 17 - колба.
Фигура 3 - Снимка на инсталацията
Когато работните контейнери се вакуумират, налягането на парната фаза в тях намалява, температурата на захранващите пари пада и в даден момент става равна на температурата на течната фаза на пробата за изпитване. В този случай е възможно да се наблюдава кипене на водата при значителни температурипо-малко от 100С или интензивно изпарение на мокър материал и рязко понижаване на температурата му.
Оперативна процедура:
Проучете указанията, изгответе формуляр за отчет за извършената работа, в който да впишете наименованието и целта на работата, основни данни за изследваните процеси, схемата на опитната постановка, изгответе таблици 2 и 3 за записване на резултатите от измерванията и изчисленията.
Поставете порест мокър материал в камерата при температура 50-70°С, като предварително сте го претеглили в сухо (
Инсталирайте температурния сензор (3) вътре в материала, който ще се тества.
Свържете вакуумните камери (4 и 15) и затворете херметически капаците (6 и 12).
Отворете вентилите (9 и 10), свързващи работните контейнери с вакуумната помпа. Оставете вентила (8) за освобождаване на вакуум затворен.
Включете лабораторния модул с помощта на автоматичен превключвател 220V.
Включете компютъра и стартирайте програмата за лабораторната работа "Вакуумно охлаждане" (фиг. 5).
Свържете вакуумната помпа към мрежата с бутона "VK1".
От компютъра прочетете температурата в пробата (T1) и налягането в контейнера (P) за пет времеви точки.
Продължете с вакуумирането, докато спадът на налягането спре и температурата на газообразната среда се понижи. Автоматичната измервателна система отчита текущата стойност на налягането в ексикатора и температурата.
Когато се установят равновесни температура и налягане, затворете вентила и изключете помпата.
Запишете получените данни в таблица 2.
Прехвърлете в отчета графиката на фазовия преход вода-пара, записана от автоматичната измервателна система.
Освободете налягането с клапан (8), извадете тестовия обект и го измерететегло (
Изчислете загубата на влага
Фигура 5 - Предният панел на програмата.
Изчислете средната стойност на топлината на изпарение, като използвате формулата
Запишете резултатите в Таблица 3.
Инсталирайте порест мокър материал в камерата с пълно съвпадение на характеристиките с първия тестов обект.
Инсталирайте температурния сензор (3) вътре в материала, който ще се тества.
Свържете вакуумните камери (4 и 15) и затворете херметически капаците (6 и 12).
Затворете клапана (10) и отворете клапана (9), оставяйки един работен контейнер (4), свързан към вакуумната помпа (1). Оставете вентила (8) за освобождаване на вакуум затворен.
Включете вакуумната помпа (1) с помощта на бутона "VK1".
От компютъра прочетете температурата в пробата (T1) и налягането в контейнера (P) за пет времеви точки.
Когато се установят равновесни температура и налягане, затворете вентила и изключете помпата.
Запишете получените данни в таблица 2.
Съгласно таблица 2 начертайте зависимостта на температурата от времето и температурата от налягането.
Повторете стъпки от 3 до 26 за втория тестов материал.
Сравнете, направете и напишете заключения. Отговори на въпросите за сигурност.