Визначення параметрів холодильного циклу за допомогою Т, S-діаграми.

На рис.3.5 представлена Т,S-діаграма фреону Ф-12, побудована на основі експериментальних досліджень і їх розрахунково-теоретичної обробки. На діаграмі нанесені ізобари 0,1÷12 бар і лінії постійних значень ентальпії. В середині Т,S-діаграми є розрив по осі X, де ентропія стрибком змінюється від значення S=4,37 кДж/(кг·К) до значення S=4,65 кДж/(кг·К).

Розрив введений для збільшення масштабів практично важливих областей Т,S-діаграми, що прилягають до пограничних ліній двофазної області х=0 і х=1.

З даних табл.3.2 необхідно відобразити холодильний цикл в Т,S-діаграмі (рис.3.5), а в табл.3.4 занести параметри холодоагента в характерних точках циклу.

Ентальпія і ентропія фреона Ф-12 на вході в компресор (h₁ і S₁) визначаються при виміряних значеннях Р₁, t₁. Температура Т₂ і h₂ фреона після адіабатного стиснення визначається на перерізі адіабати S₁=соnst і ізобари Р₂= соnst. Поправка Δ l, що враховує охолодження фреону в процесі стиснення, розраховується за формулою (3.5), де Т₁, S₁ - температура і ентропія фреону Ф-12 на вході компресора, Т₂ – температура фреона Ф-12 на виході компресора при адіабатному стисненні, S_2а – ентропія фреона Ф-12 після компресора при політропному стисненні (визначається при виміряних значеннях температури t_2а і тиску Р₂ на виході компресора).

Температура фреону Ф-12 в конденсаторі Т_3а=f(Р₂) визначається за допомогою рис.3.5 і табл.3.1.

Ентальпія фреону перед дросельним вентилем h₃ визначається на перерізі ізотерм Т₃= соnst і лінії насиченої рідини х=0, де Т₃ - температура фреона перед дросельним вентилем.

Питома робота компресора (в режимі політропного стиснення) визна­чається за формулою (3.6). Теоретичний холодильний коефіцієнт визначається за формулою (3.7).

Холодильний коефіцієнт зворотного циклу Карно, що здійснюється між температурами конденсатора Т_3б (див.рис.3.2) і випарника Т₄:

(3.15)

Порівняти отримані значення холодильних коефіцієнтів:

- зворотного циклу Карно;

- на основі Т, S-діаграми фреону Ф-12;

- на основі безпосередніх вимірювань q₂, l ₀.

Проаналізувати можливі причини розбігу цих значень.

 

Рис. 3.5. Діаграма температура –ентропія фреону Ф-12.

Таблиця 3.4.

Визначення параметрів холодильного циклу на основі Т, S -діаграми фреона Ф-12

№	Найменування величини	Позначення	Одиниці вимірювання	Спосіб отримання	Числове значення
	Питома ентальпія Ф-12 перед компресором	h1	кДж/кг	Т, S–діаграма
	Питома ентропія Ф-12 перед компресором	S1	кДж/(кгК)	Т, S –діаграма
	Питома ентальпія після адіабатного стиснення	h2	кДж/кг	Т, S –діаграма
	Температура після адіабатного стиснення	t2	^оС	Т, S –діаграма
	Питома ентропія Ф-12 після компресора	S2а	кДж/(кгК)	Т, S –діаграма
	Температура Ф-12 в конденсаторі	t3б	^оС	Т, S –діаграма
	Питома ентальпія Ф-12 після дроселювання	h4	кДж/кг	Т, S –діаграма
	Зменшення роботи компресора внаслідок охолодження	Δ l	кДж/кг	Ф-ла (3.5)
	Питома робота компресора	L	кДж/кг	Ф-ла (3.6)
	Питома холодопродуктивність	q2	кДж/кг	Ф-ла (3.2)
	Холодильний коефіцієнт	ε	безрозм.	Ф-ла (3.7)
	Холодильний коефіцієнт зворотного циклу Карно	εк	безрозм.	Ф-ла (3.15)

 

 

Лабораторна робота № 4

РАДІАЦІЙНЕ І РАДІАЦІЙНО-КОНВЕКТИВНЕ СУШІННЯ МАТЕРІАЛІВ ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

Ціль роботи

1. Поглибити знання за розділом "Тепломасообмінні процеси" на прикладі сушіння матеріалів легкої промисловості.

2. Практично ознайомитися з принципами роботи радіаційно-конвективної сушарки, оцінити її ефективність.

Завдання

1. Вивчити теоретичні відомості за темою.

2. Вивчити лабораторну сушарку, дослідити на ній кінетику радіаційного і радіаційно-конвективного сушіння.

3. Для двох режимів сушіння побудувати криві кінетики сушіння і термограми сушіння.

4. Виконати необхідні розрахунки, скласти звіт про виконану роботу.

Теоретичні відомості

Сушіння – це видалення рідини із твердих, рідинних або газоподібних тіл. В більшості випадків видаляється вода, тобто здійснюється обезводнення речовини. В техніці, зокрема в процесах легкої промисловості, найбільш поширене сушіння твердих матеріалів. При сушінні видаляється волога, зв'язана з матеріалом фізико-хімічно (адсорбційно і осмотично) і фізико-механічно (волога макро- і мікрокапілярів). Хімічно зв'язана вода (наприклад в кристалогідратах) утримується найбільш міцно, і навіть при нагріванні матеріалу до температур 120-130 °С не видаляється.

Розрізняють природне і штучне сушіння. Природне сушіння здійснюється за рахунок теплоти атмосферного повітря. Його перевагою є виконання основної умови сушіння – збереження фізико-хімічних і споживчих властивостей матеріалів. Основна вада – велика тривалість сушіння. Для прискорення (інтенсифікації) процесу сушіння в легкій промисловості застосо­вуються різні види сушарок.

За способами підведення тепла розрізняюсь сушарки:

- контактні (6езпосередній контакт висушуємого матеріалу з поверхнею нагріву);

- конвективні (матеріал обтікається потоком попередньо нагрітого сушильного агента, яким частіше всього є повітря);

- радіаційні (висихання під дією інфрачервоного випромінювання);

- високочастотні (видалення вологи під дію електричного поля високої частоти);

- вакуумні (видалення вологи під вакуумом, причому випаровування відбувається за рахунок внутрішньої енергії матеріалу).

Переваги кожного із наведених вище способів можна посилити, а вади послабити. Це досягається шляхом сполучення різних способів підведення тепла і видалення випареної вологи, тобто при комбінованих способах сушіння.

В легкій промисловості використовуються контактно-конвективні, контактно-вакуумні, радіаційно-конвективні і радіаційно-вакуумні сушарки.

До переваг радіаційного сушіння необхідно віднести високий коефіцієнт перетворення енергії джерела випромінювання у підведену до матеріали теплоту, яка витрачається на випаровування вологи.

Потужність теплового потоку інфрачервоного джерела Q_вип може бути розрахована на основі закону Стефана-Больцмана.

(4.1)

де: Q_вип – потужність потоку випромінювання лампи розжарювання, Вт; F_вип - поверхня джерела випромінювання, м²; ε₁ – ступінь чорноти джерела випромінювання; С_о – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/м²·К⁴; Т_вип – температура джерела випромінювання, К.

Тільки частина цього потоку попадає на матеріал, який висушується, частина потоку, що попала на матеріал відображається, а поглинута частина пропорційна ступеню чорноти матеріалу ε₂.

Крім того необхідно враховувати власне випромінювання матеріалу і навколишніх тіл, в особливості стінок камери для сушіння. Кількісний розрахунок радіаційного теплообміну являє собою складну задачу, оскільки необхідно враховувати взаємні випромінювання, відображення і поглинання тіл, які присутні в теплообміні.

В першому наближенні потужність власного випромінювання матеріалу
Q_м розраховується за рівнянням:

(4.2)

де: Q_м – потужність потоку випромінювання матеріалу, Вт; С_н – наведений коефіцієнт випромінювання, залежний від ступенів чорноти матеріалу ε₂ і стінок ε_с; Т_м – середня температура матеріалу в процесі сушіння, К; Т_с – середня температура стінок камери в процесі сушіння, К; F – поверхня матеріалу, який висушується, м².

Результуючий потік теплового випромінювання, що поглинається матеріалом

(4.3)

де: φ – коефіцієнт опромінення – частина потоку інфрачервоного випромінювання, яка попадає на зразок, залежить від геометричних розмірів випромінювача, матеріалу і їх взаємного розташування; ε₂ – ступінь чорноти матеріалу, який висушується; Q_вип – визначається за формулою (4.1); Q_м – за формулою (4.2).

У рівнянні (4.3) прийнято, що повітря, яке знаходиться в сушарні, не поглинає випромінювану енергію.

В процесі радіаційного сушіння зменшується середній вологовміст матеріалу W (відношення маси вологи до маси сухого матеріалу, %) і підвищується його температура.

Кінетикою процесу сушіння є закономірність зміни середнього вологовмісту W_m і середньої температури матеріалу t_m в часі. На рис. 4.1 зображені типова крива сушіння W_m (τ), і типова термограма t_m(τ).

Рис.4.1. Кінетика сушіння: 1 – крива сушіння; 2 – термограма сушіння.

На кривій сушіння можна виділити три ділянки. Першій ділянці
відповідає період початкового підігріву матеріалу. Наступний період
характеризується приблизно постійною швидкістю сушіння, далі іде період
падаючої швидкості сушіння. Швидкістю сушіння називається зміна
вологовмісту матеріалу в одиницю часу.

Швидкість сушіння може бути визначена методом графічного диференціювання, як тангенс кута нахилу дотичної до будь-якої точки кривої сушіння.

Прямолінійна ділянка на кривій W_m(τ) відповідає періоду сталої швидкості сушіння. Період сталої швидкості сушіння зв’язують з переважним випаровуванням вологи з поверхні матеріалу, після чого видаляється волога, що знаходиться в об’ємі.

Закінченням сушіння вважається момент досягнення матеріалом рівноважного вологовмісту W_р, тобто стану динамічної рівноваги водяної пари над матеріалом з водяною парою в навколишньому середовищі. Матеріал, що досяг рівноважного вологовмісту W_р інколи називають повітряно-сухим.

Якщо матеріал пересихає в сушильній камері, то він після сушіння буде сорбувати вологу із навколишнього повітря. Неповне висушування матеріалу призводить до погіршення його властивостей, деструкції барвників і ін. Експериментально встановлено, що висушувати матеріал (тканину, шкіру) в сушильних установках доцільно до вологовмісту W_р= 8÷12%.

На термограмі сушіння трьом періодам сушіння відповідають ділянки першопочаткового інтенсивного підйому температури, потім температура зростає повільно, а в кінці сушіння йде значне збільшення середньої температури матеріалу.

Експериментально було вивчено розподіл полів вологовмісту і температури при радіаційному сушінні з двохстороннім опроміненням матеріалу. З’ясувалось, що температура в центрі (всередині) матеріалу нижче, ніж на поверхні, а вологовміст, навпаки, вище.

Такий градієнт температур чинить тормозну дію на переміщення вологи до поверхні, обумовлене градієнтом вологовмісту. Наявність нерівномірних полів вологовмісту і температур призводить до виникнення напружень всередині матеріалу, що може призвести до зміни розмірів (усадки) і утворенню тріщин.

Ці недоліки частково усуваються при використанні радіаційно-конвективного сушіння. Обдув матеріалу повітрям дозволяє знизити температуру поверхні матеріала. Крім того конвективний обдув видаляє водяну пару, що накопичується над поверхнею матеріалу і перешкоджає подальшому випаровуванню вологи. Тим самим інтенсифікується рямо токуйн. Радіаційно-конвективне сушіння особливо ефективне для матеріалів легкої промисловості, що мають малу товщину (тканина, шкіра) і для поверхневих покрить (лаки, барвники, нанесені на поверхню виробів).

Кількість теплоти, відведеної конвекцією від матеріалу, оцінюється рівнянням Ньютона-Ріхмана:

(4.4)

де: Q_к – потужність конвективного потоку теплоти, Вт; F – поверхня матеріалу, який висушується, м²; t_п, τ_м – середні температури повітря і матеріалу в сушарці, °С.

Якщо t_п>τ_м, тоді теплота буде додатково підводитись до зразка.

При t_п≈τ_м підведення (відведення) теплоти практично немає, а роль обдуву зводиться до руйнування рямо токуйну шару насиченої водяної пари, що випаровується.