Wrocław 2008
Laboratorium z Termodynamiki
Procesowej
Ogrzewanie objętościowe
Zakład Procesów Chemicznych i Biochemicznych Politechniki Wrocławskiej 1
W celu usprawnienia procesu suszenia wykorzystuje się miedzy innymi technikę mikrofalową, jako alternatywne źródło energii cieplnej potrzebnej do odparowania wilgoci z materiału. Materiał wilgotny składa się z trzech faz:
• Macierzy ciała stałego
• Wody
• Powietrza.
W procesie generacji ciepła dominującą rolę odgrywa woda (generacja ciepła na skutek interakcji cząsteczek materiału z polem elektrycznym również zachodzi, jednakże w porównaniu do procesu zachodzącego w wodzie w znacznej większości przypadków może być pominięta), więc poniższe opisy będą dotyczyć zjawisk zachodzących w fazie wodnej. Należy zauważyć, że w trakcie trwania ogrzewania woda paruje, co zmniejsza „siłę napędową” generacji ciepła.
Energia cieplna jest generowana tam, gdzie w materiale znajduje się woda, czyli do najintensywniejszego wzrostu temperatury dochodzi we wnętrzu materiału.
Odparowana tam woda przez pory i kapilary ciała stałego wędruje w kierunku powierzchni.
Podczas generacji ciepła w materiale dielektrycznym zachodzą następujące procesy:
• Polaryzacja
• Relaksacja.
Polaryzacja nazywamy zjawisko ustawiania się cząsteczek obdarzonych ładunkiem elektrycznym, dipoli, równolegle do przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego. W związku z ciągłymi zmianami działania pola elektrycznego (2450MHz) dochodzi do tarcia międzycząsteczkowego i w konsekwencji wydziela się energia cieplna. Przy stosowaniu pól elektrycznych wielkiej częstotliwości (np.
mikrofalowej) polaryzacja dipoli ze względu na ich masę i bezwładność opóźnia się względem zmian pola elektrycznego, co przejawia się w tzw. stratach dipolowych. Czym większa jest częstotliwość przyłożonego pola elektrycznego, tym większe są straty dipolowe. Istnieje tzw. częstotliwość relaksacji, dla której opóźnienie polaryzacji osiąga wartość maksymalną. Przy dalszym zwiększaniu częstotliwości, ruch dipoli nie nadąża za zmianami pola i straty dipolowe maleją.
2
Jako, że ilość ciepła wydzielana w materiale zależy od strat dipolowych, przyjęło się stosować częstotliwość 2450 MHz – częstotliwość relaksacji wody. Przy takiej częstotliwości zachodzi najintensywniejsza generacja ciepła.
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest określenie intensywności generacji ciepła w materiale dielektrycznym umieszczonym w polu mikrofalowym i poddanym działaniu mikrofal o określonej mocy. Konieczne będzie wyznaczenie ilości energii dostarczonej do materiału i porównanie jej z nominalną mocą ustawioną w generatorze mikrofalowym.
3. Aparatura
Komora mikrofalowa, termopara, kamera termowizyjna.
4. Metodyka
Zwymiarowana próbkę materiału nasącza się wodą, waży, mierzy temperaturę i umieszcza w komorze mikrofalowej. Nastawia się podaną przez prowadzącego moc mikrofal i czas ekspozycji. Następnie wyjmuje się próbkę, mierzy temperaturę i waży.
5. Obliczenia:
Ilość energii cieplnej odebranej przez materiał można oszacować ze wzoru: Q& = Q&
+ Q&
mikro
par
gdzie
Q&
- jest ilością ciepła wygenerowaną przez próbkę w polu mikrofalowym, mikro
Q&
- jest ilością ciepła traconą na skutek odparowania wilgoci, par
( T − T
konc
pocz )
Q&
= m
⋅ Cp ⋅
mikro
pocz
τ
gdzie
m
- jest masą próbki (ciało stałe + woda), kg
pocz
Cp – ciepło właściwe gipsu (840 J/kgK)
3
Q&
= m
.
⋅ r
par
odp wody
gdzie
m
= m
− m
odp. wody
pocz.
konc.
r – ciepło parowania (2300000 J/kg)
6. Co powinno zawierać sprawozdanie
i. Wstęp teoretyczny
ii. Opis aparatury z rysunkiem
iii. Stabelaryzowane wyniki
iv. Obliczenia
v. Wnioski
4