1

Dr in

ż

. Michał Araszkiewicz

Wrocław 2008

Laboratorium z Termodynamiki

Procesowej

Ogrzewanie obj

ę

to

ś

ciowe

Zakład Procesów Chemicznych i Biochemicznych Politechniki Wrocławskiej

2

1. Wst

ę

p

W celu usprawnienia procesu suszenia wykorzystuje si

ę

miedzy innymi

technik

ę

mikrofalow

ą

, jako alternatywne

ź

ródło energii cieplnej potrzebnej do

odparowania wilgoci z materiału. Materiał wilgotny składa si

ę

z trzech faz:

•

Macierzy ciała stałego

•

Wody

•

Powietrza.

W procesie generacji ciepła dominuj

ą

c

ą

rol

ę

odgrywa woda (generacja ciepła na

skutek interakcji cz

ą

steczek materiału z polem elektrycznym równie

ż

zachodzi,

jednak

ż

e w porównaniu do procesu zachodz

ą

cego w wodzie w znacznej

wi

ę

kszo

ś

ci przypadków mo

ż

e by

ć

pomini

ę

ta), wi

ę

c poni

ż

sze opisy b

ę

d

ą

dotyczy

ć

zjawisk zachodz

ą

cych w fazie wodnej. Nale

ż

y zauwa

ż

y

ć

,

ż

e w trakcie trwania

ogrzewania woda paruje, co zmniejsza „sił

ę

nap

ę

dow

ą

” generacji ciepła.

Energia cieplna jest generowana tam, gdzie w materiale znajduje si

ę

woda, czyli

do najintensywniejszego wzrostu temperatury dochodzi we wn

ę

trzu materiału.

Odparowana tam woda przez pory i kapilary ciała stałego w

ę

druje w kierunku

powierzchni.

Podczas generacji ciepła w materiale dielektrycznym zachodz

ą

nast

ę

puj

ą

ce procesy:

•

Polaryzacja

•

Relaksacja.

Polaryzacja nazywamy zjawisko ustawiania si

ę

cz

ą

steczek obdarzonych

ładunkiem elektrycznym, dipoli, równolegle do przyło

ż

onego zewn

ę

trznego pola

elektrycznego. W zwi

ą

zku z ci

ą

głymi zmianami działania pola elektrycznego

(2450MHz) dochodzi do tarcia mi

ę

dzycz

ą

steczkowego i w konsekwencji wydziela

si

ę

energia cieplna. Przy stosowaniu pól elektrycznych wielkiej cz

ę

stotliwo

ś

ci (np.

mikrofalowej) polaryzacja dipoli ze wzgl

ę

du na ich mas

ę

i bezwładno

ść

opó

ź

nia

si

ę

wzgl

ę

dem zmian pola elektrycznego, co przejawia si

ę

w tzw. stratach

dipolowych. Czym wi

ę

ksza jest cz

ę

stotliwo

ść

przyło

ż

onego pola elektrycznego,

tym wi

ę

ksze s

ą

straty dipolowe. Istnieje tzw. cz

ę

stotliwo

ść

relaksacji, dla której

opó

ź

nienie polaryzacji osi

ą

ga warto

ść

maksymaln

ą

. Przy dalszym zwi

ę

kszaniu

cz

ę

stotliwo

ś

ci, ruch dipoli nie nad

ąż

a za zmianami pola i straty dipolowe malej

ą

.

3

Jako,

ż

e ilo

ść

ciepła wydzielana w materiale zale

ż

y od strat dipolowych, przyj

ę

ło

si

ę

stosowa

ć

cz

ę

stotliwo

ść

2450 MHz – cz

ę

stotliwo

ść

relaksacji wody. Przy takiej

cz

ę

stotliwo

ś

ci zachodzi najintensywniejsza generacja ciepła.

2. Cel

ć

wiczenia

Celem

ć

wiczenia jest okre

ś

lenie intensywno

ś

ci generacji ciepła w materiale

dielektrycznym umieszczonym w polu mikrofalowym i poddanym działaniu

mikrofal o okre

ś

lonej mocy. Konieczne b

ę

dzie wyznaczenie ilo

ś

ci energii

dostarczonej do materiału i porównanie jej z nominaln

ą

moc

ą

ustawion

ą

w

generatorze mikrofalowym.

3. Aparatura

Komora mikrofalowa, termopara, kamera termowizyjna.

4. Metodyka

Zwymiarowana próbk

ę

materiału nas

ą

cza si

ę

wod

ą

, wa

ż

y, mierzy temperatur

ę

i umieszcza w komorze mikrofalowej. Nastawia si

ę

podan

ą

przez prowadz

ą

cego

moc mikrofal i czas ekspozycji. Nast

ę

pnie wyjmuje si

ę

próbk

ę

, mierzy

temperatur

ę

i wa

ż

y.

5. Obliczenia:

Ilo

ść

energii cieplnej odebranej przez materiał mo

ż

na oszacowa

ć

ze wzoru:

par

mikro

Q

Q

Q

&

&

&

+

=

gdzie

mikro

Q&

- jest ilo

ś

ci

ą

ciepła wygenerowan

ą

przez próbk

ę

w polu mikrofalowym,

par

Q&

- jest ilo

ś

ci

ą

ciepła tracon

ą

na skutek odparowania wilgoci,

(

)

τ

pocz

konc

pocz

mikro

T

T

Cp

m

Q

−

⋅

⋅

=

&

gdzie

pocz

m

- jest mas

ą

próbki (ciało stałe + woda), kg

Cp

– ciepło wła

ś

ciwe gipsu (840 J/kgK)

4

τ

- czas ogrzewania, s

r

m

Q

wody

odp

par

⋅

=

.

&

gdzie

.

.

.

konc

pocz

wody

odp

m

m

m

−

=

r – ciepło parowania (2300000 J/kg)

6. Co powinno zawiera

ć

sprawozdanie

i. Wst

ę

p teoretyczny

ii. Opis aparatury z rysunkiem

iii. Stabelaryzowane wyniki

iv. Obliczenia

v. Wnioski