Многоуровневая система моделирования нестационарных и меняющихся режимов работы низкотемпературных установок (1024695), страница 29
Текст из файла (страница 29)
В началепроцесса поверхность пельменя быстро охлаждается и начинает затвердевать засчет большого темпа теплоотдачи, связанного с испарением влаги, которая вдесятки раз больше конвективной теплоотдачи. В тонком слое на поверхности218пельменя возникает затвердевший слой, и температура в нем резко понижается,т.к. количество теплоты, подведенное к поверхности пельменя от его толщи засчеттеплопроводности,меньшеколичестватеплоты,отбираемогоотповерхности при испарении влаги.После образования тонкого затвердевшего слоя на поверхности процессиспарения влаги резко уменьшается. Это связано с двумя причинами:уменьшением количества влаги, находящейся в поверхностных слоях пельменяи снижением темпа диффузионной передачи влаги из толщи к поверхностипельменя из-за уменьшения коэффициента диффузии в затвердевшем слое.Теплоотдача с поверхности пельменя начинает резко уменьшаться доконвективного значения, т.к.
диффузионный поток становится достаточномалым. В результате этого температура на поверхности начинает возрастать, атолщина затвердевшего слоя - уменьшаться, т.к. подвод теплоты из толщипельменя становится больше отвода теплоты с поверхности.С течением времени из-за понижения температуры в толще пельменяуменьшается темп подвода теплоты из толщи пельменя к поверхности итолщина затвердевшего слоя опять начинает увеличиваться. Испарение влаги споверхности уменьшается, отводимая при этом процессе теплота становитсяпренебрежимо малой по сравнению с конвективным теплообменом.
Этотпериодохлажденияпельменяописываетсятолькопроцессомтеплопроводностью без учета процесса испарения влаги.Следует заметить, что в объёме морозильной камеры скороморозильногоаппарата относительная влажность воздуха близка к 100%, но вблизиповерхности пельменя, за счёт пограничного слоя, температура выше, чем вкамере и, следовательно, относительная влажность воздуха ниже. При расчётахотносительная влажность воздуха определялась по средней температуреповерхности пельменя и холодного воздуха в камере.4.4219Экспериментальноеисследованиепроцессовиспарения влаги при охлаждении и замораживанииДля более подробного экспериментального исследования этих процессовна базе холодильника Stinol-106 был создан специальный экспериментальныйстенд.
Температура в морозильной камере поддерживалась вблизи -320С,относительная влажность холодного воздуха составляла более 90%, обдувхолоднымвоздухомспостояннойскоростью0,5м/cосуществлялсявентилятором.Для замораживания использовались стандартные пельмени, продающиесяв торговой сети, размеры которых и масса представлены в таблице 4.1.Таблица 4.1Характеристики образцов замораживаемых пельменейНомер образцавысота, ммразмеры основания:a, ммb, ммначальная масса, г120,5220,5320,037,032,517,137,032,015,5538,033,013,85Пельмень помещался на специальный каркас из латунной сетки, причемдлялучшейимитацииохлажденияпельменяналентетранспортераскороморозильного аппарата, между сеткой и пельменем помещалась тонкаябумажная прокладка.
Бумажная прокладка также необходима для того, чтобыможно было сравнить значения температуры в точке 4, где отсутствует процессиспарения влаги, со значением температуры в точке 2. Термопары 2 и 4расположены на одинаковом расстоянии от поверхности. Температура в точке 4должна понижаться быстрее, чем в точке 2, т.к. теплообмен со сторонылатунной сетки более интенсивный, чем со стороны воздуха.Температурапельменяизмеряласьтремямедно-константановымитермопарами, расположенные: вблизи поверхности пельменя, на глубине 1,5 мм220от поверхности пельменя (между тестовой оболочкой и мясной фаршем) и вцентре пельменя (рис.
4.4).1, 2, 3 – термопары, 4 – бумажная прокладкаРис. 4.4. Расположение термопар на пельменеРис. 4.5. Расчетные (линии) и экспериментальные (х, о, □) зависимоститемператур различных точек (2, 3, 4) первого образца от времениИзмерялась масса образцов до и после измерялась прецизионнымиэлектронными весами. Погрешность измерения температур термопарами221составляет 1,5 С, электронных весов – 1 мг. Перед экспериментом пельмени0нагревались в комнатных условиях до температуры 150С на поверхности, приэтом температура в центре была около 100С.
До и после эксперимента образцывзвешивались, причём их масса уменьшилась после замораживания примернона 0,1 г.Экспериментальные и расчётные результаты процесса замораживанияобразцов, для которых при расчётах в начальный момент времени принималсялинейный профиль температур по полутолщине пельменя, представлены нарис. 4.5, 4.6, 4.7. Полученные зависимости имеют три характерных участка.Рис. 4.6. Расчетные (линии) и экспериментальные (х, о, □) зависимоститемператур различных точек (1, 2, 3) второго образца от времениПервый участок соответствует охлаждению пельменя до криоскопическойтемпературы, при которой начинается затвердевание.
Температура в центре(точка 3) со временем меняется достаточно быстро, но поверхностный слой(точка 2) охлаждается до более низких, чем криоскопическая, температур,сначала с большой скоростью из-за интенсивного испарения, а затем снекоторым повышением температуры. Температура в точке 4 резко не меняет222своего значения, т.к. находится вблизи поверхности соприкасающейся сбумажной лентой, которая препятствует испарению влаги.Рис. 4.7.
Расчетные (линии) и экспериментальные (х, о, □) зависимоститемператур различных точек (1, 2, 3) первого образца от времениНа втором участке температурные зависимости 3 и 2 имеют почтилинейныйвид, близкий к горизонтальной прямой, поскольку происходитзатвердевание толщи пельменя. Температура в точке 4 продолжает понижатьсяиз-за более интенсивного теплосъёма со стороны латунной сетки.На третьем участке происходит охлаждение уже полностью затвердевшегопельменя, причем темп охлаждения тем больше, чем больше расстояние отповерхности, поэтому в результате происходит выравнивание температур потолщине пельменя.Из полученных результатов можно сделать следующие выводы.
В целомпроцесс испарения влаги позволяет уменьшить время охлаждения пельменя вскороморозильном аппарате, за счёт интенсивного испарения и понизить223и позволить затвердеть поверхностному слою в начальныйтемпературупромежуток времени. Затем происходит некоторый нагрев поверхностного слояза счёт обеднения поверхности влагой и подводом теплоты из толщи пельменяк поверхности. Поэтому по окончанию процесса испарения влаги в пельмене вскороморозильном аппарате необходимо быстро переместитьморозильнуюкамерудляокончательногопельмень взамораживания,чтобыминимизировать нагрев поверхности и в целом сократить время нахожденияпельменявскороморозильномаппарате.Поэтомудлярациональногопроведения процесса затвердевания в скороморозильном аппарате необходимодля каждого замораживаемого образца пищевого продукта рассчитывать времязатвердевания поверхностного слоя до требуемой величины, чтобы понайденномувремениохлажденияопределятьхарактеристикискороморозильного аппарата.Выводы по четвёртой главе1.Сделанобзорразличныхмоделей,описывающихпроцессзамораживания объектов биологического происхождения.2.
На основе моделей с сосредоточенными параметрами и раздельногомоделированиямеханизмов передачи теплоты за счёт конвективноготеплообмена и теплопроводности получены аналитические зависимостивремени охлаждения от условий процесса.3. Впервые создана модель охлаждения и затвердевания пищевыхпродуктов, учитывающая процесс испарения влаги, наиболее интенсивный вначальный период проведения этого процесса.4.
Учёт испарения влаги с поверхности охлаждаемого тела позволяетболее детально анализировать процесс затвердевания до требуемой толщиныохлаждаемого пищевого продукта при работе скороморозильного аппарата.224Глава 5. ТЕПЛОМАССООБМЕН ПPИ ДВИЖЕНИИ ГАЗОВЫХПУЗЫПЕЙ ЧЕPЕЗ СЛОЙ ЖИДКОСТИ5.1ОсобенноститепломассообменныхпроцессовприбарботажеБарботажные устройства, в которых происходят процессы тепло имассообмена между жидкостью и проходящими через нее газовыми пузырями,нашли широкое применение в химической промышленности и технике низкихтемператур [33]. Основным их преимуществом является естественным образомполучаемая большая величина поверхности взаимодействия газовой и жидкойфаз, а также простота конструкции таких аппаратов.
В барботажныхустройствах можно осуществлять следующие массообменные процессы:- насыщать жидкость газом за счёт его растворения в жидкости;- пpоводить очистку жидкости от pаствоpённых в ней газов за счет ихмассопеpеноса из жидкости в пузыри другого газа;- насыщать газовые пузыри парами жидкости.Теплообменныепроцессывбарботажныхустройствахмогутпроисходить при изменяющихся во времени температурах жидкости и газовыхпузырей, как вследствие разных температур входящих потоков, а также за счётиспарении жидкости в газовые пузыри.Изменение объема всплывающего в жидкости одиночного газового пузыряво времени происходит путём растворения газовых компонентов из пузыря вжидкость и обратной диффузии в пузырь растворенных в жидкости газов ипаров жидкости. Движущей силой этих процессов является разностьпредельной и текущей концентраций этих компонентов жидкости и газовомпузыре.
Изменение объёма (объёмная скорость) за счёт диффузии i-огогазового компонента из пузыря в жидкость определится согласно [221]:dVi m 4 ф rп2 k i (Ci Ci ) ж i ,d i mжmax(5.1)где Vi – парциальный объём i-ого газового компонента в пузыре, τ - время; rп -225эффективный радиус пузыря:1 3 Vп 3rп ,4(5.2)где Vп - объем пузыря, ж - плотность жидкости; i - плотность i-ого газовогокомпонента при температуpе T и давлении p процесса массопередачи; mж мольная масса жидкости; mi - мольная масса i- ого газового компонента; ф коэффициент формы пузыря, учитывающий отклонение реальной поверхностипузыря от сферы:ф Sд4rп2,где S д - действительная площадь поверхности пузыря, ki(5.3)- объёмныйкоэффициент удельной массопередачи для i-ого газового компонента (м/с); Ci- мольная доля i-ого газового компонента в жидкости (кмоль/кмоль); Cimax-предельная мольная доля растворённого i-ого газового компонента в жидкости(предельная растворимость), определяемая по закону Генри [222]:CimaxpiHi,(5.4)где pi , H i - парциальное давление и постоянная Генри для i-ого газовогокомпонента в пузыре.Объемная скорость испарения паров жидкости в пузырь определится:dVж 4 ф rп2 k ж ( ye y ж ) ,d(5.5)где yж - мольная доля паров жидкости в пузыре; ye- предельная мольная доляпаров жидкости в пузыре, определяемая по закону Рауля [206]:ye pe,p(5.6)где pe - равновесное парциальное давление паров чистой жидкости наджидкостью с растворенными газами:226pe Cж p0,(5.7)где Cж - мольная доля чистой жидкости в жидкости с растворенными газами;p0 - равновесное давление паров жидкости над чистой жидкостью притемпературе T процесса.Процессы сопряженного тепломассообмена, происходящего при работебарботажных устройств, описываются достаточно сложными системамидифференциальных уравнений в частных производных.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
