Методы исследования процессов и аппаратов

Методы исследования процессов и аппаратов

Феноменологический

 Сложность процессов пищевых производств и многообразие действующих факторов являются обьективной основной широкого применения так называемых феноменологических зависимостей. Исторически сложилось так, что большое количество явлений переноса энергии и материи аппроксимировано зависимостями вида.

I = aX

где I - Скорость протекания процесса;  а - постоянная;  Х -движущая сила процесса

В класс таких  явлений попали: деформация твердого тела (закон Гука); движение электрического тока по проводнику (закон Ома); молекулярный перенос теплоты (закон Фурье); молекулярный перенос массы (закон Фика); обобщенные (не только молекулярные) закономерности переноса теплоты и массы; потери энергии при движении жидкости по трубопроводу (законы Дарси и Вейсбаха); движение тела в сплошной среде (закон трения Ньютона) и т. д. В законах, описывающих данные явления, постоянные имеют физический смысл и называются соответственно: модуль упругости, электрическое сопротивление, молекулярная теплопроводность, коэффициент молекулярной диффузии, конвективная теплопроводность или коэффициент турбулентной диффузии, коэффициент трения Дарси, вязкость и т. д. Обратив на это внимание, бельгийский физик русского происхождения И. Пригожин, нидерландские физики Л. Онзагер, С. де Гроот и др. обобщили эти явления в виде соотношения (2.1), которое получило название феноменологического, или соотношения логики явлений. Оно составило основу феноменологического метода исследований, суть которого кратко формулируется так: при малых отклонениях от состояния равновесия скорость протекания /любого сложного процесса пропорциональна движущей силе этого процесса X.

Основная трудоемкость исследований с применением этого  метода заключается в выявлении факторов или параметров, которые являются побудителями данного процесса, и факторов, характеризующих его результат. Выявив их, связь между ними представляют в виде зависимости (2.1), а численное значение связывающего их коэффициента а определяют экспериментально. Например, если движущей силой процесса экстрагирования является разность концентраций А С экстрагируемого вещества в сырье и в экстрагенте, а скорость процесса характеризуется производной концентрации этого вещества С в сырье по времени, то можно записать:

где В — коэффициент скорости экстрагирования.

Всегда можно  назвать целый ряд параметров, характеризующих как движущую силу, так и результативность процесса. Как правило, они однозначно связаны между собой. Поэтому феноменологическое уравнение может быть записано во многих вариантах, т.е. для любой комбинации параметров, характеризующих движущую силу и результативность процесса.

Экспериментальный метод

На основании предварительного анализа исследуемой задачи отбирают факторы, оказывающие определяющее или существенное влияние на искомый результат. Отбрасывают факторы, влияние которых на результат мало. Отбрасывание факторов связано с поисками компромиссов между простотой анализа и точностью описания исследуемого явления.

Экспериментальные исследования проводят, как правило, на модели, но можно использовать для этого  и промышленную установку. В результате экспериментальных исследований, выполняемых по определенному плану и с требуемой повторностью, выявляют зависимости между факторами в графической форме или в виде расчетных уравнений.

Экспериментальный метод  имеет следующие преимущества: возможность  достижения высокой точности выведенных зависимостей;

высокая вероятность получения  зависимостей или физических характеристик  объекта исследования, которые никаким  другим методом найти не удается (например, теплофизические характеристики продуктов, степень черноты материалов и др.).

Вместе с тем экспериментальный  метод исследования имеет два  существенных недостатка:

большая трудоемкость, обусловленная, как правило, значительным числом факторов, влияющих на исследуемое явление;

найденные зависимости являются частными, относящимися только к исследуемому явлению* а это означает, что они  не могут быть распространены на условия, отличные от тех, для которых они  получены.

Аналитический

 Основан на анализе дифференциальных уравнений.Отличается дешевизной, но недостаточно точен;

Синтетический

 Основан на законах масштабного перехода и моделирования, в основе которых лежит теория подобия. По этому методу эксперименты проводятся на лабораторных моделях, в результате чего составляется математическое описание данного процесса в виде критериального уравнения. Далее это уравнение анализируется для всех подобных аппаратов и процессов, протекающих в этих аппаратах. Подобными называются такие процессы, которые протекают в геометрически подобных аппаратах, имеют равные численные значения критериев в сходственных точках и имеют одинаковые граничные условия.

Геометрическое подобие  аппаратов заключается в том, что соотношение всех сходственных размеров сравниваемых аппаратов является величиной постоянной. Например, если два аппарата (рис. 1) геометрически подобны, то

Временное подобие заключается  в том, что отношение между  интервалами времени завершения аналогичных стадий процесса сохраняется  постоянным.

Например, продолжительность  нагрева смеси до температуры  кипения в первом аппарате составляет τ’1, а во втором τ’’1 Продолжительность испарения определенного количества воды составляет соответственно τ’2 и τ’’2. Тогда временно’е подобие процессов будет характеризоваться соотношением

Подобие физических величин  предполагает, для двух любых сходственных точек натуры и модели, размещенных  подобно в пространстве и времени, отношения физических свойств являются величинами постоянными.

Например ρ’1/ρ’’1 = ρ’2/ρ’’2 = … = const = Kρ и т.д.

Подобие граничных условий  заключается в том, что отношение  всех значений величин, характеризующих эти условия, для сходственных точек в

сходственные моменты  времени сохраняется постоянным.

Подобие начальных условий  означает, что в начальный момент, когда начинается изучение процесса, соблюдается подобие полей физических величин, характеризующих процесс.

Теория подобия основывается на трех теоремах:

Первая отвечает на вопрос: что нужно измерить в ходе эксперимента ?

Ответ - измерять нужно те величины или параметры, которые входят в критерии подобия.

Вторая отвечает на вопрос: в каком виде необходимо представить результаты эксперимента на модели ? Ответ – их необходимо представить в виде критериальных уравнений.

Третья отвечает на вопрос: на какие аппараты можно распространить

полученные экспериментально критериальные уравнения ? Ответ – полученные уравнения можно распространить на геометрически пропорциональные аппараты, в которых соблюдены условия равенства критериев в сходственных точках и граничные условия.

Теория подобия позволяет  совместить плюсы качества экспериментальных  и аналитических методов исследования, при этом выгод от данного исследования получаем больше, а материальных затрат меньше.

АППАРАТЫ  ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЯ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. 
     

Нагревание  и охлаждение продуктов осуществляется в теплообменных аппаратах (теплообменниках), в которых теплота передается от одного теплоносителя другому. Аппараты для нагревания и охлаждения могут быть простыми теплообменниками, выпарными аппаратами, конденсаторами, пастеризаторами, испарителями, деаэраторами, экономайзерами и т. п. Их можно разделить на собственно теплообменники, в которых теплообмен — основной технологический процесс, и реакторы, в которых он имеет вспомогательное, хотя и необходимое назначение.     

Теплообменники  классифицируют по следующим признакам:

по технологической  схеме — на прямоточные, противоточные и с поперечным током теплоносителей;

по режиму работы — на теплообменники периодического и непрерывного действия;

по способу  передачи теплоты — на теплообменники смещения, или контактные, в которых  теплоносители перемешиваются (т. е. осуществляется их контакт), и поверхностные, в которых теплоносители разделены твердыми стенками;

по основному  назначению — на подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы (конденсоры);

по сочетанию фазовых состояний рабочих сред -на жидкостно-жидкостные, парожидкостные и газожидкостные;

по конструктивным признакам.      

В качестве теплоносителя  в пищевой промышленности наиболее широко применяют насыщенный или  перегретый водяной пар. В поверхностных  теплообменниках из него выпадает стекающая  по стенкам влага. Высокая теплота  фазового перехода воды обусловливает  высокую эффективность этого  теплоносителя. В сравнении с  ним обогрев горячей водой  существенно менее эффективен и  неизбежно связан с изменением температуры  перегретого водяного пара. Для его  перегрева необходимо повышение  давления. Например, для достижения температуры 115 "С необходимо избыточное давление пара 0,07 МПа (~0,7 кгс – см²), а темпе-ратуры 150... 160 °С — давление 0,5...0,7 МПа.     

Минеральное масло, используемое в качестве теплоносителя, позволяет работать при температурах до 200⁰С.     

Обогрев горячими газами и воздухом в печах и сушильных установках позволяет работать при температурах 300... 1000 ⁰ С. Интенсивность теплообмена при этом невелика, а поверхности, соприкасающиеся с топочными газами, сильно загрязняются.     

В холодильной технике в качестве теплоносителей используют хла-дагенты: воздух, рассолы, аммиак, диоксид углерода, фреоны и др.

СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ. СХЕМЫ И ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ  МАШИН.

Получение холода сводится к уменьшению содержания тепла в твердом теле, жидкости или газе. Охлаждение — это процесс отнятия тепла, приводящий к понижению температуры или изменению агрегатного состояния физического тела. Различают естественное и искусственное охлаждение.

Естественное  охлаждение — это отвод тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду. При этом способе температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Это самый простой способ охлаждения без затраты энергии.

Искусственное охлаждение — это охлаждение тела ниже температуры окружающей среды. Для искусственного охлаждения применяют холодильныр машины или холодильные установки. При этом способе охлаждения необходимо затратить энергию.

Существует несколько  способов получения искусственного холода. Самый простой — охлаждение с помощью льда или снега. Ледяное охлаждение имеет существенный недостаток — температура охлаждения ограничена температурой таяния льда. В качестве охладителей используют водный лед, льдосоляные смеси, сухой лед и жидкие холодильные агенты (хладоны и аммиак).

Льдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Из-за добавления соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается. Охлаждение сухим льдом основано на действии твердого диоксида углерода — при поглощении тепла сухой лед переходит из твердого состояния в газообразное. С помощью сухого льда можно получить более низкую температуру, чем при использовании водного льда: охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда, при охлаждении не возникает сырости, выделяемый газообразный диоксид углерода обладает консервирующими свойствами, способствует лучшему сохранению продуктов. Сухой лед применяется при перевозках замороженных продуктов, охлаждении фасованного мороженого, хранении замороженных фруктов и овощей.

Наиболее распространенным и удобным при эксплуатации является машинное охлаждение. По сравнению  с другими  видами охлаждения машинное охлаждение обладает следующими преимуществами:

• возможностью создания низкой температуры в широких пределах;
• автоматизацией процесса охлаждения;
• доступностью эксплуатации и технического обслуживания и др.

Машинное охлаждение получило в торговле наибольшее распространение в связи с рядом достоинств: автоматическим поддержанием постоянной температуры хранения в зависимости от вида продуктов, рациональным использованием полезной емкости для охлаждения продуктов, удобством обслуживания, высокой экономичностью и возможностью создания необходимых санитарно-гигиенических условий хранения продуктов.

В основу машинного охлаждения положено свойство некоторых веществ кипеть при низкой температуре, поглощая при этом большое количество теплоты из окружающей среды. Такие вещества называют холодильными агентами (хладагентами).

Хладагенты — это рабочие вещества паровых холодильных машин, с помощью которых обеспечивается получение низких температур. Хладагенты должны иметь высокую теплоту парообразования, низкую температуру кипения, высокую теплопроводность. Вместе с тем хладагенты не должны быть взрывоопасными, легко воспламеняющимися, ядовитыми. Важное значение имеет стоимость хладагентов. Наиболее отвечающим этим требованиям являются хладон 12, хладон 22 и аммиак. Хладон поступает в торговые предприятия в металлических баллонах, окрашенных в алюминиевый цвет и имеющих условную маркировку R12 или R22.

СХЕМЫ И ЦИКЛЫ  ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН.

 
В холодильных установках температура  теплоотдатчика ниже температуры окружающей среды, т. е. Тн < То, а температура  теплоприемника равна температуре  окружающей среды, т. е. Тв = То. Холодильные  установки (уровень отвода теплоты  То ( 120 К) предназначены для охлаждения и поддержания при низких температурах различных объектов и технических  систем. 
Холодильные установки в зависимости от агрегатного состояния рабочего тела делятся на следующие типы: 

1) Газовые - такие установки,  в которых рабочее тело во  всех процессах остаётся в  газообразном состоянии. 
Газовые компрессионные холодильные машины. В воздушных холодильных машинах получение низких температур осуществляется за счёт адиабатного расширения воздуха при совершении внешней работы. Схема работы идеальной воздушной холодильной машины приведена на рис. 
Воздух из охлаждаемого помещения 4 при температуре Т1 засасывается компрессором 1 и после адиабатного сжатия до давления р1 подаётся в охладитель 2, где охлаждается водой при постоянном давлении. Затем сжатый охлаждённый воздух поступает в детандер 3 (расширитель), где совершает полезную работу при адиабатном расширении до первоначального давления р0. 
В газовых компрессионных холодильных машинах рабочее тело во всех процессах остаётся в газообразном состоянии. Наиболее распространены из них воздушные и гелиевые. Установки такого типа практически не применяются из-за их неэкономичности и больших расходов воздуха (т. к. этот хладоноситель обладает малой теплоёмкостью), что делает установку громоздкой и повышает её стоимость. 
2) Газожидкостные - установки, в тёплой части которых рабочее тело находится в виде газа при температурах, далёких от критической, а в холодной части - в виде влажного пара и жидкости. 
3) Парожидкостные - установки, в которых рабочее тело находится либо в виде жидкости и влажного пара, либо перегретого пара при температурах ниже критической, или близкой к ней. Парожидкостные холодильные установки в зависимости от принципа работы делятся на три вида: парокомпрессионные, абсорбционные и струйные. 
3.а) Парокомпрессионные - их работа основана на сжатии в компрессоре сухого насыщенного или незначительно перегретого пара рабочего тела. 
Паровые компрессионные холодильные машины. В цикле паровой компрессионной холодильной машины происходит непрерывное фазовое превращение рабочего тела (кипение, испарение, а затем конденсация). Принципиальная схема одноступенчатой идеальной паровой холодильной машины приведена на рис. Основными элементами оборудования установки являются компрессор, конденсатор, детандер (расширитель) и испаритель. Цикл машины, представляющий собой обратный цикл Карно, происходит в области влажного пара. 
Холодильный агент кипит в испарителе 1 при давлении и температуре Т0; при этом подводится тепло q0 от охлаждаемого тепла. Влажный пар из испарителя засасывается компрессором 2 и сжимается адиабатно с повышением температуры до Т. Компрессор нагнетает свежий пар в конденсатор 3, где пар конденсируется при постоянных давлении и температуре Т, отдавая охлаждающей воде тепло q. Жидкий хладоагент поступает в детандер 4 и расширяется адиабатно, производя полезную работу за счёт внутренней энергии. Далее хладоагент поступает в испаритель, и рабочий цикл повторяется снова. 
 
3.б) Абсорбционные - сжатие пара основано на абсорбции рабочего тела (поглощении из раствора или смеси газов твёрдым телом или жидкостью) при температуре окружающей среды и его десорбции (выделении в окружающую среду из твёрдого тела) при более высокой температуре. Установки такого типа наиболее распространены из-за их прстоты, надёжности и экономичности. 
 
В абсорбционных холодильных машинах применяется бинарная смесь, компоненты которой имеют различные температуры кипения при одинаковом давлении. Холодильный агент должен иметь низкую температуру кипения, абсорбент (поглотитель) - более высокую. 
 
Наибольшее распространение получили водоаммиачные растворы, в которых аммиак является холодильным агентом, а вода - абсорбентом. Принципиальная схема водоаммиачной холодильной машины приведена на рис. Пары аммиака, образовавшиеся в испарителе 4 при давлении ро и температуре to, засасываются в абсорбер 5, где поглощаются слабым водоаммиачным раствором. Теплота Qа, выделяющаяся при поглощении паров аммиака, отводится охлаждающей водой. Процесс абсорбции происходит при постоянном давлении, несколько меньшем давления в испарителе ро. Полученный в абсорбере раствор насосом6 перекачивается в генератор (кипятильник) 1. При этом насосом затрачивается работа lн. В генераторе водоаммиачный раствор выпаривается при давлении, несколько большем, чем давление в конденсаторе рк. Тепло Qг, затраченное на получение водоаммиачного пара, подводится от внешнего источника (пар, горячая вода). Водоаммиачный пар с большой концентрацией аммиака поступает в конденсатор 2 и в нём конденсируется, отдавая тепло Qк охлаждающей воде. Из конденсатора жидкий аммиак через регулирующий вентиль (дроссель) 3 направляется в испаритель, где кипит, производя охлаждающий эффект Q0. 
3.в) Струйные (пароэжекторные). Особенность пароэжекторной холодильной машины состоит в том, что для её работы используется кинетическая энергия струи рабочего пара. В этих машинах в качестве хладоагента обычно применяют воду. 
Отсутствие в пароэжекторных машинах промежуточного теплоносителя позволяет получить температуру охлаждаемой воды, равную температуре кипения в испарителе, что повышает тепловую эффективность и экономичность холодильной машины. К достоинствам пароэжекторной машины следует отнести также простоту конструкции и обслуживания в работе. Однако с помощью таких машин можно получить холод при положительных температурах 0-10 оС. 
4) Твёрдотелые - установки, в которых для охлаждения используется твёрдое рабочее тело. Эти установки пока применяются преимущественно для физических исследований в области температур ниже 20 К.

Список использованной литературы

1. Ю. М. Плаксин, Н.  Н. Малахов, В.А. Ларин Процессы  и аппараты пищевых производств  2-е издание М.:КолосС 2007- 760с

2. http://www.wikipedia.ru

3. http://www.mgutm.ru