ВВЕДЕНИЕ 1 страница. Примерная модульно-рейтинговая карта по дисциплине Виды учебной работы Максимальный балл Зачетный балл

Харків 2014

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПИТАНИЯ И ТОРГОВЛИ

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕКРСИТЕТ

Примерная модульно-рейтинговая карта по дисциплине

Виды учебной работы	Максимальный балл	Зачетный балл
Модуль 1.
в том числе
Посещение лекций
Подготовка и выполнение практических работ
Текущий контроль
Рубежный контроль по Модулю 1. (тестирование, коллоквиум)
Mодуль 2.
в том числе
Посещение лекций
Подготовка и выполнение практических работ
Текущий контроль
Рубежный контроль по Модулю 2. (тестирование, коллоквиум)
Промежуточная аттестация -экзамен
Итого по дисциплине:

КАФЕДРА ХОЛОДИЛЬНОЙ И ТОРГОВОЙ ТЕХНИКИ

для самостоятельного изучения темы

"СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА"

по дисциплине “Холодильная технология пищевых продуктов”

для студентов дневной и заочной форм обучения специальностей:

8.050301 „Товароведение и комерческая деятельность”,

7.050302 „Товароведение и экспертиза в таможенном деле”,

7.050303 „Экспертиза товаров и услуг”

Рекомендовано кафедрой

холодильной и торговой техники,

протокол заседания № 12

від 13.03.2014 р.

Утверждено научно-методическим Советом товароведного факультета,

протокол заседания № 12

від 07.02.2014 р.

Рецензент: проф. Летута Т.Н.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА 5

2. ТЕРМОДИНАМИКА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА 10

3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ

I−d ДИАГРАММЫ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА 13

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА С

ПОМОЩЬЮ I−d ДИАГРАММЫ 14

Контрольные вопросы 16

Список литературы 17

Список условных обозначений 18

ПРИЛОЖЕНИЯ 19

Осуществление холодильной обработки пищевых продуктов предполагает создание и поддержание в холодильных камерах определенных температуры, относительной влажности, состава и скорости движения воздуха, наиболее благоприятных для осуществления технологических процессов.

При осуществлении различных этапов холодильной обработки пищевых продуктов в воздушной среде, воздух подвергается тепловлажностным воздействиям (нагреванию, охлаждению, увлажнению, осушению), в результате которых изменяются его параметры.

Заданные параметры воздуха поддерживают с помощью комплекса технических средств, состоящих из оборудования, предназначенного для получения заданных температуры, относительной влажности и газового состава воздуха, устройств для подачи и распределения воздуха, устройств тепло- и холодоснабжения, средств автоматического контроля и регулирования параметров воздуха в зависимости от тепловлажностных нагрузок.

Методические указания дают студентам возможность изучить физическую сущность происходящих процессов при холодильной обработке пищевых продуктов, изучить основные параметры, характеризующие физические свойства воздуха как основной холодильной среды.

Для лучшего усвоения материала рекомендуется сначала изучить теоретические сведения о влажном воздухе, содержащиеся в данных методических указаниях и рекомендуемой литературе, а затем для закрепления теоретических знаний выполнить практическую работу «Свойства влажного воздуха».

Порядок изучения:

1. Ознакомиться с основными параметрами и характеристиками влажного воздуха.

2. Ознакомиться с элементами термодинамики влажного воздуха

3. Изучить, основные принципы построения I−d диаграммы влажного воздуха ее основные линии.

4. Освоить методику определения параметров влажного воздуха с помощью I−d диаграммы воздуха.

5. Выполнить практические задания по определению параметров влажного воздуха, используя методические указания для выполнения практической работы «Свойства влажного воздуха».

6. Ответить на контрольные вопросы, содержащиеся в конце методических указаний.

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА

Чаще всего охлаждающей средой при холодильной обработке пищевых продуктов является воздух. Воздух − это механическая смесь газов и водяного пара. Газы, входящие в смесь, образуют сухой воздух. Водяные пары, находящиеся в воздухе, относятся к перегретым парам, т.е. находятся в условиях, когда температура их выше температуры насыщения. Поэтому их можно рассматривать, как идеальный газ и применять к ним все относящиеся к идеальным газам законы физики. Таким образом, влажный воздух можно рассматривать как смесь двух идеальных газов − сухого воздуха и водяного пара.

Состояние влажного воздуха характеризуется тремя любыми термодинамическими параметрами. Параметры воздуха и скорость движения воздуха определяют режим холодильной обработки.

Основными параметрами воздуха, характеризующими его состояние, а также закономерности перехода из одного состояния в другое, являются температура и давление, влажность и влагосодержание, плотность и удельный объем, теплоемкость и энтальпия.

Температура − термодинамическая величина, определяющая степень нагретости тела. Из молекулярно-кинетической теории следует, что средняя кинетическая энергия теплового движения молекулы (W) определяется выражением:

где k − постоянная Больцмана;

T − абсолютная температура, К.

Таким образом, температура тела пропорциональна кинетической энергии теплового движения молекул. Температура, как и все параметры, характеризующие физическое состояние воздуха, имеет смысл только в том случае, когда рассматриваемое тело содержит очень большое число молекул.

Давление − термодинамическая величина, представляющая действие системы на внешнюю среду, которое можно оценить как силу, отнесенную к единице площади. Согласно закону Дальтона, барометрическое давление воздуха Р_б равно сумме парциальных давлений сухой части воздуха Р_С.В. и водяного пара Р_П содержащихся в смеси:

Р_Б = Р_С.В. + Р_П (1.1)

Из закона Дальтона следует, что парциальное давление водяного пара Р_П, находящегося во влажном воздухе, меньше общего Р_б (барометрического) давления смеси. Однако, так как температура пара равна температуре смеси, то очевидно, пар, находящийся в ненасыщенном влажном воздухе, имеет температуру, превышающую температуру кипения воды при данном его парциальном давлении, т.е. он находится в перегретом состоянии.

Парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе, не превышает парциального давления насыщенного водяного пара:

Р_П ≤ Р_Н

где Р_Н − парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре t воздуха, Па

Чем больше Р_Н отличается от Р_П, тем больше влаги может воспринимать воздух (при одной и той же температуре). Если парциальное давление водяного пара в воздухе равно парциальному давлению насыщенного водяного пара, то воздух не может воспринимать водяной пар и участвовать в массообменных процессах. Давление насыщенного водяного пара зависит только от температуры воздуха (с повышением температуры давление Р_Н увеличивается).

Физические характеристики насыщенного водяного пара приведены в приложении 2.

В качестве единицы измерения давления в Международной системе единиц принимают паскаль (Па). Перевод единиц измерения физических величин из единиц других систем в международную систему единиц СИ приведен в приложении 1.

Парциальное давление водяного пара обычно называют его упругостью и обозначают через е. Величина упругости водяного пара является одной из характеристик влажного воздуха, так как она изменяется пропорционально изменению барометрического давления.

При постоянных температуре и давлении воздуха и изменяющейся влажности упругость водяного пара может увеличиваться или уменьшаться. Увеличение упругости водяного пара ограничено вполне определенным пределом, соответствующим максимально возможному насыщению воздуха водяным паром. В этом случае упругость водяного пара называется максимальной упругостью и обозначается буквой Е.

Зависимость упругости насыщенного водяного пара Е от температуры приведена в приложении 3.

Влажность и влагосодержание воздуха. Содержание влаги в атмосферном воздухе характеризуется абсолютной и относительной влажностью, а также влагосодержанием.

Абсолютная влажность атмосферного воздуха, или плотность водяного пара, представляет собой массу водяных паров, содержащихся в единице объема атмосферного воздуха при определенных давлении и температуре.

(1.2)

где ρ_П − абсолютная влажность атмосферного воздуха, г/м³;

М_П − масса водяного пара, находящегося в атмосферном воздухе, г;

V − объем атмосферного воздуха, м³.

Абсолютную влажность атмосферного воздуха в состоянии его насыщения называют влагоемкостью ρ_Н. Величина влагоемкости является функцией температуры воздуха (таблица 1).

Таблица 1. Зависимость влагоемкости воздуха от температуры и Р_Б = 101,325 кПа

Температура, ºС	− 20	− 10
Влагоемкость, г/м^3	1,1	2,3	4,9	9,4	17,2	30,1	50,8	82,8	129,3	196,6	290,7	418,8

Относительной влажностью воздуха φ (%) называется отношение массы водяного пара ρ_П содержащегося в 1 м³ влажного воздуха, к предельно возможному его содержанию ρ_Н в этом объеме при тех же давлении и температуре:

(1.3)

У насыщенного воздуха φ = 100%. Относительную влажность атмосферного воздуха рассчитывают также по формуле:

(1.4)

Более удобна для практических расчетов формула позволяющая определить относительную влажность с некоторым приближением:

(1.5)

Влагосодержанием называют отнесенную к единице массы сухого воздуха массу водяных паров, содержащихся в атмосферном воздухе:

(1.6)

где d − влагосодержание атмосферного воздуха, г водяных паров в 1 кг сухого воздуха;

М_С.В.− масса сухого воздуха, кг;

М_П − масса водяного пара, находящегося в атмосферном воздухе, г

Степенью насыщения воздуха ψ называется отношение влагосодержания воздуха к влагосодержанию насыщенного воздуха определяют по формуле:

(1.7)

где d – влагосождержание атмосферного воздуха, г/кг;

d_Н – влагосодержание насыщенного воздуха, г/кг.

Плотность и удельный объем. Плотность атмосферного воздуха находят по уравнению:

(1.8)

где ρ − плотность атмосферного воздуха, кг/м³;

М − масса атмосферного воздуха, кг;

V − объем атмосферного воздуха, м³.

Удельный объем атмосферного воздуха определяют из отношения:

(1.9)

где v − удельный объем атмосферного воздуха, м³/кг;

Значения плотности сухого воздуха ρ_С.В., парциального давления насыщенного водяного пара Р_Н, находящегося в атмосферном воздухе и влагосодержания d_Н атмосферного воздуха при полном насыщении его влагой, приведены в приложении 4.

Удельная теплоемкость и энтальпия. Теплоемкость атмосферного воздуха относят к единице массы его сухой части:

(1.10)

где С − удельная теплоемкость атмосферного воздуха, кДж/кг×К;

С_С.В. − удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж/кг×К;

С_П − удельная теплоемкость водяного пара, кДж/кг×К.

Энтальпию атмосферного воздуха также относят к единице массы сухого воздуха. Энтальпия влажного воздуха i (кДж/кг)равна сумме энтальпий 1 кг сухого воздуха i_C.В. и энтальпии d кг водяного пара i_П.:

(1.11)

С достаточной для практических расчетов точностью энтальпию влажного воздуха i можно определить по формуле:

i = С_с.в t + (r₀ + С_П t) d (1.12)

где С_С.В − теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении,

С_С.В = 1 кДж/(кг ×°С);

t − температура воздуха, °С;

r₀ − удельная теплота испарения воды при 0°С; r ₀ = 2501 кДж/кг;

С_П − теплоемкость водяных паров при постоянном давлении,

С_П = 1,88 кДж/(кг×К),

d − влагосодержание воздуха, кг/кг.

Подставив все данные в уравнение энтальпии, получим:

i = t + (2501 + 1,88t) d×10⁻³ (1.13)

Из уравнения видно, что энтальпия атмосферного воздуха складывается из двух составляющих, одна из которых зависит от температуры, а другая − от влагосодержания воздуха. Первую составляющую энтальпии называют явным теплом, а вторую − скрытым теплом.

Если при понижении температуры воздуха и увеличении влагосодержания его энтальпия постоянна, то уменьшение явного тепла компенсируется увеличением скрытого.

Таким образом, энтальпия атмосферного воздуха при постоянном давлении является функцией двух параметров − температуры и влагосодержания.

Значения энтальпии и влагосодержания атмосферного воздуха в зависимости от его температуры и относительной влажности приведены в приложениях 5 и 6.

Температура, при которой относительная влажность воздуха при охлаждении достигает 100%, называется точкой росы t_P При температуре ниже точки росы водяные пары, содержащиеся в воздухе, конденсируются в капельно-жидкое состояние на внутренних поверхностях ограждающих конструкций.

В холодильной технологии одним из параметров, характеризующим состояние влажного воздуха, принимается так называемая температура мокрого термометра.

Если при испарении воды в воздух будут соблюдены адиабатные условия, т.е. испарение будет происходить только за счет теплоты воздуха, то в процессе испарения температура воздуха будет снижаться; при полном насыщении воздуха влагой температура его будет равна температуре испаряющейся воды. Эту температуру называют температурой мокрого термометра.

Таким образом, температура мокрого термометра является термодинамическим параметром, характеризующим способность воздуха отдавать тепло для испарения воды до полного насыщения воздуха. Разность между температурой воздуха и температурой мокрого термометра называется психрометрической разностью и характеризует способность воздуха к поглощению влаги.

Δt = t_С − t_М (1.14)

где t_С − температура воздуха по сухому термометру, °С;

t_М − температура мокрого термометра, °С.

В ненасыщенном влажном воздухе показания мокрого термометра t_M будут всегда ниже показаний сухого термометра t_С

Между величиной психрометрической разности Δt и относительной влажностью воздуха φ имеется определенная зависимость. Чем больше психрометрическая разность при данной температуре, тем меньше относительная влажность воздуха и тем больше влаги может поглотить воздух. При полном насыщении воздуха (φ = 100%), t_С = t_М и психрометрической разности Δt = 0, воздух насыщен водяным паром и дальнейшего испарения влаги не будет.

2. ТЕРМОДИНАМИКА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

В диапазоне температур (− 30 ÷ + 30ºС), которые используются для осуществления холодильной обработки пищевых продуктов, атмосферный воздух с достаточной для технических расчетов точностью подчиняется всем законам смеси идеальных газов.

Для идеальных газов при переходе из одного состояния в другое справедливо уравнение:

(1.15)

где Р − давление идеального газа, Па;

R_Г− удельная газовая постоянная идеального газа, Дж/кг×К

Зависимость (1.15) − уравнение Клайперона−Менделеева − называют уравнением состояния идеального газа, или его характеристическим уравнением.

Для идеального газа произвольной массы М уравнение состояния принимает вид

(1.16)

Для атмосферного воздуха массой 1 кг уравнение состояния имеет вид

(1.17)

или

(1.18)

где R_В − удельная газовая постоянная атмосферного воздуха, Дж/кг×К.

Плотность атмосферного воздуха рассматривают как сумму плотностей сухого воздуха и водяного пара:

(1.19)

Согласно уравнению плотность сухой и влажной частей атмосферного воздуха определяют по формулам:

(1.20)

(1.21)

где R_С.В. − удельная газовая постоянная сухого воздуха, Дж/кг×К [R_С.В. = 287 Дж/кг×К];

R_П − удельная газовая постоянная водяного пара, Дж/кг×К [R_П = 463 Дж/кг×К].

Подставляя ρ_С.В и ρ_П в уравнение (1.19) и учитывая, что Р_П = φР_Н, получают:

(1.21)

Поскольку Р_С.В. = Р_б − φР_Н, то

(1.22)

В уравнении (1.22) первое слагаемое можно рассматривать как плотность сухого воздуха, находящегося под давлением, равным давлению атмосферного воздуха. Учитывая значения R_С.В. и R_П находят:

(1.23)

Из уравнения (1.23) видно что ρ < ρ_С.В., т.е. атмосферный воздух легче сухого при тех же температурах и давлениях.

На основании уравнения состояния рассчитывают влагосодержание:

(1.24)

При подстановке значений R_С.В. и R_П, а также Р_С.В. = Р_б − φР_Н в последнее выражение получают:

(1.25)

При полном насыщении атмосферного воздуха влагой (φ = 1):

(1.26)

где d_Н − влагосодержание атмосферного воздуха при полном насыщении его влагой, г/кг.

Рассмотрим переход воздуха из начального состояния 1 (параметры I₁ и d₁) в конечное состояние 2 (параметры I₂ и d₂).

Параметры, характеризующие конечное состояние воздуха, определяют из уравнений:

(1.27)

где Q – количество тепла, поглощаемого или выделяемого воздухом, кДж;

W – масса влаги, поглощаемой или выделяемой воздухом, кг;

i_W – энтальпия влаги, поглощаемой или выделяемой воздухом, кДж/кг;

i_W = c_W × t_W

c_W – удельная теплоемкость воды, кДж/кг × К, = 4,187 кДж/кг × К;

t_W – температура воды, °С;

d₁, d₂ – влагосодержание воздуха состояний 1 и 2.

Изменения энтальпии и влагосодержания воздуха рассчитывают по уравнениям:

(1.28)

откуда

(1.29)

Выражение (1.29) является общим уравнением, описывающим переход воздуха из одного состояния в другое.

3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ I−d ДИАГРАММЫ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА

Расчет изменения состояния атмосферного воздуха с помощью уравнений для идеального газа требует выполнения громоздких арифметических вычислений. Более простым и наглядным является определение параметров воздуха с помощью I − d диаграммы влажного воздуха.

I − d диаграмма влажного воздуха была разработана профессором Л.К.Рамзиным для облегчения расчетов, связанных с изменением состояния влажного воздуха. На I − d диаграмме влажного воздуха зависимости, являющиеся следствием основных законов газовой динамики, изображены графически.

I − d диаграмма влажного воздуха дает возможность наглядно изображать процессы изменения состояния влажного воздуха, графически решать задачи по выбору режимных параметров холодильной обработки пищевых продуктов, расчету систем вентиляции и кондиционирования воздуха, сушильных процессов, испарителей, воздухоохладителей и др. установок, существенно облегчая и ускоряя их.

I − d диаграмма строится для постоянного барометрического давления и выражает графическую зависимость между основными параметрами воздуха (t, φ, p, d, i).

При пользовании I − d диаграммой необходимо знать расчетное Р_Б для данной местности, которое нормируется СНиП. Расчетные давления Р_Б находятся в пределах 0,89 × 10⁵ до 1,013 × 10⁵ Па (685 − 760 мм рт.ст.) и нормируются с интервалом 0, 01995 × 10⁵ Па (15 мм рт.ст.) В соответствии с этим I − d диаграммы разработаны для Р_Б = 685, 700, 715, 730, 745 и 760 мм рт. ст.

Для удобства пользования ось абсцисс − влагосодержание d направлена под острым углом к оси ординат − энтальпии влажного воздуха i. Чтобы сократить размеры диаграммы, ось абсцисс заменяют вспомогательной линией, перпендикулярной к оси ординат. Таким образом, линии d = const − это вертикальные прямые, а линии i = const − наклонные.

I − d диаграмма строится в косоугольной системе координат. На оси абсцисс откладываются значения влагосодержания воздуха при постоянном барометрическом давлении, на оси ординат − значения теплосодержания. Линии постоянных теплосодержаний I = const идут наклонно под углом 135°. Для сокращения размеров ось d на графике не вычерчивается, а вместо нее проводится вспомогательная линия под прямым углом к ординате, и на ней с абсциссы проектируется шкала (масштаб) значений влагосодержаний d (см. приложение № 2). На полученной сетке, состоящей из линий d = const и I = const, строятся изотермы и кривые φ = const.

Линии t = const проходят слева направо, они близки к прямым. Если принять t = const, то уравнение (7) будет уравнением прямой линии. Следовательно, изотермы являются прямыми линиями, причем изотерма t = 0 проходит через начало координат. I − d диаграммах температура измеряется по стоградусной шкале Цельсия. При применении диаграммы необходимо иметь в виду, что изотермы между собой непараллельны; особенно эта непараллельность сказывается при высоких значениях температур. Если концы изотерм, построенных для φ = 100% (значения Р_Н для данной температуры при соответствующем Р_б принимаются из приложения 4), соединить плавной кривой, то получается линия относительной влажности φ = 100% или линия насыщения.

Линия насыщения φ = 100% является пограничной и делит I − d диаграмму на две части. Выше и левее этой линии расположены точки, характеризующие содержание в воздухе водяного пара в перегретом состоянии. Точки, расположенные ниже и правее линии φ = 100% характеризуют состояние паровоздушной смеси, находящейся в состоянии пересыщения, т.е. содержащей во взвешенном состоянии капельную влагу или кристаллы льда (область тумана). При повышении барометрического давления линия φ = 100 % смещается вверх, а при понижении − вниз.

Линии φ = const нанесены в виде пучка кривых, расходящихся веером. Для построения кривых относительной влажности, имеющих любое другое значение, предварительно определяют влагосодержания, отвечающие Р_н при различных температурах и заданном φ. Полученные точки также соединяют плавной линией.

В нижней части i − d-диаграммы от начала координат нанесена линия парциальных давлений водяного пара. Для построения линии парциального давления пара с правой стороны диаграммы на линии, параллельной оси ординат, наносится шкала парциальных давлений в мм рт.ст., начиная с Р_П = 0 до величины возможного значения Р_П в диапазоне данной диаграммы. Затем в результате пересечения вертикалей, опущенных из концов линий φ = 100% с горизонтальными линиями соответствующих значений Р_Н (значения парциальных давлений пара в состоянии насыщения берут из таблицы приложения 4), получаются точки, которые образуют линию парциального давления пара.

На I − d диаграмме процессы перехода воздуха из одного состояния в другое изображают прямыми линиями (лучами), которые проходят через точки, соответствующие начальному и конечному состояниям воздуха. Уравнение перехода (1.29) представляет собой уравнение пучка прямых, положение которых на I − d диаграмме определяется точкой начального состояния воздуха 1 (I₁, d₁) и величиной тепловлажностного коэффициента ε, представляющего собой отношение изменения энтальпии воздуха к изменению его влагосодержания:

(1.30)

Характер изменения состояния воздуха определяется значением тепловлажностного коэффициента ε. В результате перехода воздуха из одного состояния в другое энтальпия и влагосодержание изменяются, причем отклонения энтальпии и влагосодержания могут быть положительными, отрицательными и равными нулю.

Дата добавления: 2014-12-08