Порядок выполнения работы.
Работа 2.6. КОМБИНИРОВАННАЯ
КОНВЕНКТИВНО-СВЧ-СУШИЛКА
Технологическая задача:сушка сыпучего сельскохозяйственного сырья.
Цель работы: Оценить технический уровень (состояние) конвективной СВЧ-сушилки и дать предложения по развитию ее конструкции для повышения эффективности процесса сушки.
Задачи работы:
1. Изучить устройство и принцип работы комбинированной конвективно-СВЧ-сушилки.
2. Рассмотреть особенности процесса сушки при использовании СВЧ-энергии.
3. Провести эксперимент и получить экспериментальные данные.
4. Используя полученные данные построить зависимость изменения температуры от времени и влагосодержания от времени.
5. Методом графического дифференцирования, построить зависимость скорости изменения влагосодержания от влагосодержания.
6. Усвоить правила безопасной эксплуатации и наладки комбинированной конвективно-СВЧ-сушилки.
Оборудование, инструменты и инвентарь: виртуальные имитационные модели: комбинированная конвективно-СВЧ-сушилка, весы, секундомер, ведро, лопатка.
Продукты: плодоовощное сырье (яблоки), зерновые.
Изучение устройства и принципа работы.Комбинированная конвективно-СВЧ-сушилка периодического действия предназначена для сушки пищевого сыпучего растительного сырья.
(см. «Машины и аппараты пищевых производств».В 3 кн. Учеб. для вузов/ С.Т. Антипов, И.Т. Кретов, А.Н. Остриков и др.; Под ред. акад. РАСХН В.А. Панфилова.– М.: КолосС, 2009.– 2008 с).
Порядок выполнения работы.
Все получаемые в ходе работы результаты необходимо занести в протокол измерений (табл. 2.1).
Рис. 2.1 – Пользовательский интерфейс виртуальной лабораторной работы
1. Включите питание (сеть) при помощи тумблера 1.
2. Выберите продукт «зерновые» или «плодоовощное сырье» путем нажатия на кнопку 2.
3. Выберите скорость потока теплоносителя при помощи поворота латера 3, и включите вентилятор путем нажатия на кнопку 4
4. Выберите мощность ТЭН помощи поворота латера 7, и включите ТЭНы нажатием на кнопку 5.
5. Наберите необходимое количество продукта в ведро 8, открытием (закрытием) заслонки 9 рукава подачи исходного сырья 10.
6. Взвести ведро 8, поставив его на весы 11.
7. Загрузите исходное сырье в бункер 12 повернув ведро 8 над бункером 12.
8. Отключите вентилятор нажатием на кнопку 4 и откройте задвижку 13 на загрузочном бункере для подачи исходного сырья в шахту.
9. Включите вентилятор нажатием на кнопку 4, выберете мощность магнетронов, поворотом латера 14 и включите магнетроны нажатием кнопки 6.
10. Осуществляется комбинированная конвективно-СВЧ-сушка исходного продукта. В процессе проведения эксперимента необходимо снимать показания (изменение температуры продукта в сушильной камере), (изменение влажности продукта в сушильной камере). Полученные результаты занести в таблицу 1.
11. После завершения процесса сушки отключите:
- магнетроны, нажав кнопку 6;
- ТЭНы, нажатием кнопки 5;
- вентилятор, нажатием кнопки 4;
- питание, при помощи тумблера 1.
12. Откройте задвижку 15 для удаления продукта из сушильной камеры.
13. При помощи лопатки 16 наполните ведро 8 и установите его на весы 11. Полученный результат занесите в протокол измерений.
Таблица 1.1.
Протокол исследований
| № опыта | Время от начала опыта, с | Масса исходного материала, m г | Масса высушенного материала, m г | Начальное влагосодержание, % | Мощность ТЭН, кВт | Мощность магнетронов, Вт | Скорость потока теплоносителя, м/с | Температура теплоносителя, К | Температура продукта, К | Влагосодержание продукта, U кг/кг |
| … |
Расчетная часть
Влажность отнесенная к абсолютно сухому продукту Wc и влажность рассчитанная на его общее количество W, связаны зависимостью:
(2.1)
Влагосодержание (U), кг/кг – отношение влажности по сухому продукту деленное на 100:
(2.2)
По результатам проведенных испытаний необходимо построить кривые сушки и кривые скорости сушки.
Сушкой называют процесс удаления влаги из материала путем ее испарения и отвода образующихся паров.
Процесс высушивания материала в комбинированной конвективно-СВЧ-сушилке осуществляется при непосредственном соприкосновении нагретого сушильного агента с поверхностью влажного материала. При контакте влажного материала с сушильным агентом вследствие температурной разности поверхности тела и окружающей среды происходит испарение влаги, связанное с изменением ее агрегатного состояния. Одновременно вследствие разности парциальных давлений паров влаги над влажной поверхностью тела и в окружающей среде, а также под действием СВЧ-энергии осуществляется перенос массы влаги из материала в окружающую среду. В результате испарения влаги с поверхности и отвода образовавшихся паров возникает градиент концентрации влаги в материале, являющийся движущей силой ее внутреннего перемещения из глубины слоев к поверхности испарения. Это перемещение влаги сопряжено с нарушением ее связи с материалом (скелетом твердого тела) и, следовательно, дополнительной затратой энергии помимо энергии, необходимой для парообразования. Поэтому скорость процесса зависит от характера или формы связи влаги с материалом.
Об эффективности процесса сушки можно судить, изучая кинетику процесса путем экспериментального определения изменения средней влажности материала во времени.
Изменение влажности материала во времени = f() графически изображается кривой линией (рис. 2.2), которая носит название кривой сушки. В общем случае кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих различным периодам сушки.
В начале сушки происходит нагрев материала до температуры мокрого термометра и небольшое уменьшение влажности (участок АВ – период прогрева материала), затем влажность материала значительно уменьшается по линейному закону (участок ВС – период постоянной скорости), при этом температура материала в большинстве случаев остается постоянной, равной температуре мокрого термометра.
На заключительном этапе в период убывающей скорости влажность материала изменяется по кривой СДЕ, приближающейся к равновесному значению р= const. Достижение равновесной влажности означает установление динамического равновесия, когда скорости испарения и конденсации равны.
В каждом конкретном случае вид функции = f() может отличаться от приведенной на рис. 2.2 в зависимости от формы и структуры материала, а также вида связи с ним влаги.
Скорость сушки определяется из кривой сушки путем графического дифференцирования, для чего к произвольной точке кривой, характеризующей влажность в данный момент времени, необходимо провести касательную до пересечения с осью абсцисс. Тангенс угла наклона касательной к оси абсцисс определяет скорость сушки в данный момент времени, наклон касательной находится построением прямоугольного треугольника, у которого гипотенузой является касательной, а катетами – соответствующие отрезки на осях координат, выраженные в определенных единицах измерения. Так, например, для точки С (см. рис. 2.2) скорость сушки будет равна тангенсу угла наклона касательной к кривой = f()
(2.3)
где М1, М2 – масштабные коэффициенты по осям координат.
По формуле (2.3) вычисляют значения скорости сушки для ряда точек кривой сушки и откладывают их на графике в координатах d/d = f() (см. рис. 2.3). Вертикальными линиями можно разбить кривую сушки = f() на 10 – 15 участков и для каждого определить тангенс угла наклона.
Текущей точке С на кривой = f() соответствует точка С на кривой d/d = f(). Прямому участку ВС на кривой = f() соответствует одна касательная ко всем точкам этого участка, следовательно, один наклон касательной и постоянная скорость сушки ВС на кривой d/d = f().
Для последующих точек кривой сушки (Д, Е) тангенсы угла наклона уменьшаются и процесс сушки будет происходить в периоде падающей скорости, кривая СДЕ (см. рис. 2.3).
В начале процесса (после прогрева материала) скорость сушки оказывается постоянной, не зависящей от влажности материала. В этот период постоянной скорости (или первый период) происходит интенсивное испарение свободной влаги из материала (в основном у его поверхности). Скорость процесса является наибольшей, так как внутридиффузионное сопротивление (т.е. сопротивление продвижению влаги внутри материала) пренебрежимо мало по сравнению с внешнедиффузионным сопротивлением (т.е. сопротивлением продвижению пара от поверхности материала в окружающую среду).
Диффузионное сопротивление массопроводности внутри влажного материала не оказывает существенного влияния на процесс сушки в первый период, и скорость сушки определяется только диффузией во внешней области (конвективной диффузией).
Период постоянной скорости сушки соответствует изменению влажности материала в пределах от н (начальная влажность) до кр (критическая влажность).
С уменьшением влажности материала внутридиффузионное сопротивление увеличивается и в некоторый момент достигает значения, соизмеримого с внешнедиффузионным сопротивлением. Общее сопротивление процесса возрастает, и скорость сушки падает.
При влажности материала < кр наступает второй период сушки – период падающей скорости сушки. Для второго периода сушки характерным является то, что процесс сушки в этот период лимитируется массопроводностью внутри влажного материала, а конвективная диффузия паров влаги от поверхности раздела фаз в ядро потока не оказывает существенного влияния на процесс сушки.
Период падающей скорости сушки соответствует изменению влажности материала в пределах от кр до к (конечная влажность материала), которая в пределе может быть равна р (равновесная влажность). Вид кривых скорости сушки во втором периоде весьма разнообразен и зависит как от формы и вида высушиваемого материала, так и от режима сушки.