Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью учебного процесса. Они дают возможность усвоения практических навыков работы с оборудованием и приборами, проведения исследования, обработки полученных результатов. Качество изучения дисциплины во многом зависит от уровня выполнения студентами лабораторных работ и от доли самостоятельной работы студента при их проведении.

В данное время лабораторные работы не в полной мере удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. Это объясняется следующими соображениями. Во-первых, проведение лабораторной работы требует наличия лабораторного стенда, оснащенного необходимым оборудованием, устройствами и приборами, которые позволяют обеспечить проведение исследования и получение достоверных и надежных опытных данных. Создание некоторых лабораторных стендов усложнено их большими габаритами, агрессивностью рабочих сред, высокими значениями температуры и давления теплоносителей, а также большими капитальными затратами. Во-вторых, проведение лабораторных, связанных с изучением теплотехнологических процессов, требует значительных затрат времени на разогрев установок, выход их на заданный режим, снятие показаний при установившемся режиме. По этой причине усложняется проведение исследований на различных режимах, затрудняется анализ влияния изменения режимных параметров рабочих сред и обрабатываемых объектов на результаты опыта.

Наличие мощной компьютерной базы и соответствующего программного обеспечения позволяют создавать виртуальные лабораторные работы.

При этом изменяется педагогическая роль компьютерного моделирования изучаемых процессов.

Работа с компьютером обеспечивает значительные возможности для индивидуализации обучения, что очень важно для всестороннего развития личности [1]. Персональные компьютеры позволяют каждому студенту работать в собственном темпе в соответствии с их физиологическими и психологическими особенностями.

Виртуальные лабораторные работы по сравнению с традиционными работами, выполняемыми на физических стендах, обладают рядом преимуществ:

? позволяют проводить виртуальные эксперименты, которые невозможно выполнить в условиях учебной лаборатории из-за сложности, быстротечности или длительности, температурного уровня самого явления, отсутствия соответствующего аппаратурного и приборного обеспечения;

? обеспечивают возможность уменьшения за счет изменения масштаба времени протекания процессов, и, соответственно, ускорения снятия показаний приборов;

? индивидуализируют проведение работы студентом путем предоставления ему отдельного рабочего места за компьютером и персонального варианта пакета исходных данных;

? автоматизируют контроль подготовленности студента к выполнению лабораторной работы, а также ускоряют и облегчают студенту обработку результатов измерений и представление результатов в желаемой форме.

Компьютерные анимационные и виртуальные модели стали частью электронных учебных пособий. Опубликованы описания практикумов виртуальных лабораторных работ с использованием оригинальных авторских программ [2]. Так, в [3] описывается интерактивная диалоговая удаленная система для удаленного управления экспериментом и проведения лабораторных работ с удаленного компьютера. Анализ различных литературных источников [1,2,3] свидетельствует о том, что в образовательном процессе сформированы инновационные элементы, связанные с использованием элементов виртуализации в процессе обучения.

Виртуальные лабораторные работы позволяют осуществить индивидуальный контроль за уровнем подготовки студента к работе, за порядком проведения работы и за правильностью обработки опытных данных. Возможность привлечения для обработки результатов исследования программных средств в значительной мере ускоряет выполнение работы и повышает точность полученных результатов. Таким образом, виртуальные лабораторные работы желательны для углубления изучения дисциплины, обеспечения высокого уровня понимания и осмысливания материала.

Данная работа посвящена разработке виртуальной лабораторной работы ”Изучение кинетики сушки капиллярно-пористых тел” по дисциплине ”Теплотехнологические процессы и установки”. Целью работы является улучшение усвоения студентами теоретического материала по конвективной сушке, получение практических навыков по проведению эксперимента и обработке опытных данных.

Основными задачами, поставленными при разработке программного обеспечения для виртуальной лабораторной работы, являются:

? обеспечение индивидуализации проведения работы и обработки экспериментальных данных;

? проведение входного контроля с целью определения уровня подготовки студента к проведению лабораторной работы;

? реалистичная имитация лабораторного стенда для исследования конвективной сушки, движения его подвижных элементов в соответствии с их функциональным назначением;

? создание изображения потоков сушильного агента при движении его по элементам установки;

? возможность визуального отслеживания величин измеряемых параметров на шкалах измерительных приборов;

? возможность непосредственного участия студента в проведении виртуального эксперимента;

? контроль управляющей программой за правильностью проведения исследования студентом;

? возможность автоматических (полуавтоматических) обработки результатов измерений и представления результатов эксперимента;

? возможность вывода полученных результатов на печатающее устройство с целью их дальнейшего анализа.

В данной работе изложена методика создания виртуальной лабораторной работы, которая позволяет выполнять перечисленные выше функции и решать поставленные задачи.

1. Общие теоретические представления о кинетике и динамике сушки капиллярно-пористых тел

1.1 Определение понятия сушки. Роль сушки в технологических процессах

Твердые, жидкие, газообразные вещества, материалы, тела, изделия могут содержать в себе влагу. Влага - газообразные, жидкие, твердые вещества, природа которых отлична от природы объектов, в которых они находятся. В большинстве случаев влагой бывает вода в различных агрегатных состояниях. Влага удерживается скелетом влажного материала под действием различных сил. Необходимость удалять с различной целью из тел влагу возникает непрерывно в технологических процессах различных производств и в быту.

В не сплошных твердых телах влага удерживается скелетом влажного материала под действием различных сил - она связана со скелетом материала. Для удаления влаги из материала необходимо затратить энергию на преодоление удерживающих влагу сил, необходимо разрушить связь влаги со структурными элементами тела. Затем влагу надо заставить переместиться внутри тела к границам его с окружающей средой, пересечь эти границы и переместиться в окружающую среду. Одновременно необходимо предотвратить попадание влаги из окружающей среды в материал.

Для удаления из тел влаги используют различные естественные и искусственные способы влагоудаления или комбинации этих способов. Различают такие группы способов удаления влаги из тел: механические, физико-химические, электрофизические и термические (тепловые).

Термическое влагоудаление получило наиболее широкое применение во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства, в различных непромышленных областях деятельности человека и быту. Термические (тепловые) способы удаления влаги из тел ?это одни из самых древних способов удаления влаги. Они применимы для удаления влаги с любой энергией связи её с материалом тела, из тел, находящихся в любом агрегатном состоянии (кроме плазменного), и позволяют получать сколь угодно низкие конечные влагосодержания тела. Последнее весьма важно, так как влага при малом содержании её (единицы процентов и менее) обладает значительной энергией связи с материалом, соизмеримой с энергией, необходимой для превращения жидкости в пар.

Сушка - термический процесс удаления из объекта сушки влаги путём её испарения или выпаривания и отвода образующихся паров, сопровождающийся необратимыми изменениями физико-химических, структурно-механических, биохимических, функциональных, потребительских и других свойств этого объекта. Этим сушка принципиально отличается от других способов удаления влаги. Фактически - это теплотехнологический процесс, являющийся одной из важнейших стадий технологий многих производств. От правильной организации сушки зависит не только сохранность, но и улучшение качества получаемой продукции. Основными требованиями, предъявляемыми к процессу сушки и реализующим его установкам, являются получение высушенного продукта с необходимыми качественными показателями и обеспечение минимально возможных удельных затрат теплоты, топлива и электроэнергии на сушку, определяющих минимальную себестоимость сушки.

1.2 Основные закономерности кинетики сушки

Кинетика сушки изучает закономерности изменения интегральных (среднеобъемных) температуры, влагосодержания, скорости сушки при различных способах сушки; методы аналитического описания и графического анализа кривых кинетики сушки (скорость сушки, температурные кривые); влияние различных факторов длительность сушки, методы расчета длительности сушки; закономерности внешнего тепломассообмена между поверхностью материала и окружающей средой при различных способах сушки.

Под кинетикой процесса сушки обычно понимают изменение среднего влагосодержания u(?) и средней температуры тела с течением времени.

Эти закономерности кинетики процесса сушки позволяют рассчитать количество испаренной влаги из материала и расход тепла на сушку.

Изменение локального влагосодержания u и локальной температуры t с течением времени зависит от взаимосвязанного механизма переноса влаги и тепла внутри влажного материала и массо- и теплообмена поверхности тела с окружающей средой. Механизм влаго- и теплопереноса внутри влажных тел в свою очередь очень сложный, он определяется характером связи влаги с влажными телами, поэтому кинетика процесса сушки в значительной мере определяется физико-химическими свойствами самого сохнущего материала.

Изменения средних влагосодержания и температуры тела с течением времени (кинетика процесса сушки) в первую очередь определяются закономерностями взаимодействия тела с окружающей средой, т. е. внешним тепло- и массообменом.

Особенности процесса сушки влажных материалов выявляются по характеру изменения локальных влагосодержания и температуры с течением времени. Эти экспериментальные закономерности должны рассматриваться одновременно в их взаимосвязи.

Если режим сушки достаточно «мягкий» (небольшие температура и скорости движения воздуха при достаточно большой его влажности), то процесс сушки протекает так. В начале процесса убыль влагосодержания происходит медленно (графическая зависимость между влагосодержанием материала и временем сушки, называемая кривой сушки, имеет вид кривой, обращенной выпуклостью к оси влагосодержания). В этот сравнительно небольшой промежуток температура во всех измеряемых точках материала увеличивается с течением времени (предполагается, что начальная температура материала меньше температуры адиабатического насыщения воздуха). Поэтому эта стадия процесса сушки называется начальной стадией или стадией прогрева материала. Если начальная температура материала выше температуры мокрого термометра, то в начальной стадии происходит охлаждение материала, а начальный участок кривой сушки обращен выпуклостью к оси времени. В этом случае начальная стадия будет стадией охлаждения материала. Для тонких материалов начальная стадия сушки незначительна, так что на кривой сушки она мало заметна. После начальной стадии влагосодержание материала уменьшается с течением времени по линейному закону (кривая сушки на этом участке имеет вид прямой). Следовательно, убыль влагосодержания в единицу времени (скорость сушки) будет величиной постоянной. Температура поверхности материала в течение этого времени не изменяется и равна температуре адиабатического насыщения воздуха (температура мокрого термометра).

Температура в центре образца материала в начале процесса сушки повышается медленно по сравнению с температурой поверхности материала и достигает температуры мокрого термометра несколько позже (рис. 1.1).

Таким образом, температура поверхности и температура центра образца материала становятся одинаковыми (температурный градиент внутри материала равен нулю), перепад между температурой воздуха и температурой поверхности материала будет величиной постоянной. Тогда при неизменном коэффициенте теплообмена интенсивность сушки будет постоянной. Поэтому этот период сушки называют периодом постоянной скорости, он характеризуется неизменной температурой материала (). Этот период продолжается до некоторого влагосодержания WK, начиная с которого температура поверхности материала повышается с течением времени, а скорость сушки уменьшается (прямолинейный участок кривой сушки переходит в кривую, асимптотически приближающуюся к равновесному влагосодержанию).



Рисунок 1.1 - Изменение влагосодержания и температуры на поверхности и в центре влажного материала в процессе сушки

Температура центра образца материала также повышается с течением времени, но температурная кривая немного отстает от температурной кривой для поверхности тела. Таким образом, внутри материала возникает температурный градиент, который постепенно уменьшается и при достижении равновесного влагосодержания становится равным нулю. В равновесном состоянии убыли влагосодержания не происходит, а температура материала равна температуре воздуха. Этот период сушки с непрерывным повышением температуры материала и с непрерывным уменьшением скорости сушки (убыль влагосодержания в единицу времени) называют периодом падающей скорости. Иногда период постоянной скорости называют первым периодом (начальную стадию сушки условно относят к периоду постоянной скорости), а период падающей скорости - вторым периодом.

Капиллярнопористые тела, имеющие малую усадку, в первом периоде .имеют несколько отличные температурные кривые: температура на поверхности материала равна температуре мокрого термометра, а в центре образца несколько меньше, т. е. в первом периоде существует постоянный перепад температуры между поверхностью и центром образца материала. Это происходит потому, что жидкость частично испаряется внутри материала (критерий фазового превращения не равен нулю), для чего необходим подвод тепла, а следовательно, и перепад температуры.

Таким образом, на основе совместного анализа кривой сушки и температурных кривых весь процесс сушки можно разделить на два периода: период постоянной скорости (температура материала постоянна ) и_ период падающей скорости (температура материала переменна ). Влагосодержание, соответствующее переходу первого периода во второй, называют критическим влагосодержанием.

Под скоростью сушки понимают изменение влагосодержания в единицу времени du/d?, она численно равна тангенсу угла наклона касательной к кривой сушки u = f (?).

Методом графического либо численного дифференцирования кривой сушки получают значение скорости сушки для разных значений влагосодержания, затем строится график du/d?=f(?), который называют кривой скорости сушки (рис. 1.2).

сушка капиллярный виртуальный стенд



Рисунок 1.2 - Кривые скорости сушки влажных материалов

Материалы, различные по характеру связи влаги, дают разную форму кривой скорости сушки (рис. 1.2 и 1.3).

Рисунок 1.3 - Кривые скорости сушки влажных материалов

В процессе сушки влагосодержание материала уменьшается, поэтому при анализе графиков на рис. 1.2 и 1.3 их необходимо читать в обратном направлении. В начале процесса сушки (начальная стадия прогрева материала) скорость сушки быстро увеличивается, достигая постоянного значения N = const (период постоянной скорости). Начиная с критической точки, скорость сушки уменьшается по различным законам и при достижении равновесного влагосодержания становится равной нулю (период падающей скорости). На кривых скорости сушки первое критическое влагосодержание и равновесное влагосодержание материала определяются более точно, чем на кривых сушки. Первая критическая точка находится как точка пересечения прямой, параллельной оси абсцисс, с продолжением кривой скорости сушки. Равновесное влагосодержание определяется по величине отрезка, отсекаемого продолжением кривой скорости с осью абсцисс.

Самые разнообразные материалы можно отнести к следующим шести типичным кривым скорости сушки в периоде падающей скорости [4]. Простейшая кривая скорости сушки является прямой, проходящей через точки К1 и Wp (рис. 1.2). Такие кривые скорости сушки дают тонкие образцы волокнистых материалов (бумага, тонкий картон). Следующим типом кривой скорости сушки является кривая 2, обращенная выпуклостью к оси ординат. Такие кривые наблюдаются при сушке тканей, растянутых на раме, тонких кож, макаронного теста и т. д. Третьим типом кривой скорости сушки является кривая 3, обращенная выпуклостью к оси абсцисс. Такие кривые наблюдаются при сушке пористых керамических материалов.

Более сложные по структуре влажные материалы дают во втором периоде сушки и более сложные кривые скорости сушки (рис. 1.2). Кривая может вначале иметь вид прямой, а затем переходит в кривую, обращенную к оси абсцисс (кривая типа 4). Такие кривые скорости сушки часто встречаются при сушке глины. При сушке ломтей хлеба скорость сушки вначале уменьшается по кривой, обращенной выпуклостью к оси абсцисс, а затем -- по кривой, обращенной выпуклостью к оси ординат (кривая 5). И, наконец, кривая скорости сушки может быть вида кривой 6. Такие кривые скорости сушки встречаются редко.

Как видно из вышесказанного разные материалы имеют разнообразные кривые скорости сушки во втором периоде сушки, поэтому при организации технологического процесса сушки материала кривые скорости сушки широко используются для анализа и выбора оптимального режима сушки.

Надо еще раз отметить, что кривые скорости сушки du/d? = f (u) дают только качественную картину протекания процесса сушки, при этом необходимым условием является наличие малого градиента влагосодержания внутри тела [5]. Поэтому более надежные и правильные результаты для анализа периода падающей скорости дают температурные кривые, под которыми мы понимаем зависимость между температурой материала и его средним влагосодержанием t -- f (W).

На рис. 1.4 приведены две температурные кривые для поверхностных и центральных слоев влажного материала, который дает усадку в первом периоде.

Рисунок 1.4 - Температурные кривые влажных материалов

При уменьшении влагосодержания (в начале процесса сушки) температура поверхности материала быстро повышается и принимает постоянное значение, равное температуре мокрого термометра (температура испаряющейся жидкости). Эта температура остается постоянной до первой критической точки, начиная с которой температура материала повышается и при достижении равновесного влагосодержания становится равной температуре окружающей среды (температуры воздуха) [5].

Температура центральных слоев в начале процесса сушки повышается немного медленнее и поэтому достигает температуры мокрого термометра несколько позже. В период постоянной скорости температурные кривые для поверхностных и центральных слоев совпадают. Таким образом, период постоянной скорости характеризуется постоянной температурой и отсутствием температурного градиента внутри материала.

Начиная с первой критической точки, температура центрального слоя также повышается, но более медленно и вновь возникает разность температуры между поверхностными и центральными слоями [6]. При достижении равновесного влагосодержания этот перепад становится равным нулю (температура материала во всех его точках одинакова и равна температуре сушильного агента).

Из рис. 1.3 видно, что в периоде падающей скорости наблюдается вторая критическая точка, начиная с которой температура тела становится линейной функцией влагосодержания (dt/du = const). Эта вторая критическая точка на температурной кривой обычно совпадает со второй критической точкой кривой скорости сушки.

Капиллярнопористые тела, незначительно меняющие свои размеры в первом периоде, имеют несколько отличные температурные кривые (рис. 1.5).



Рисунок 1.5 - Температурные кривые капиллярно-пористых влажных материалов

В этом случае температура материала в любой его точке не изменяется в периоде постоянной скорости, но температура поверхностных и центральных слоев различна, т. е. внутри материала существует температурный градиент. Если все макропоры материала заполнены влагой вначале (начальное влагосодержание материала большое и равно максимальной влагоемкости материала), то температура на поверхности в первый период равна температуре мокрого термометра, а температура центральных слоев будет меньше температуры мокрого термометра. Если же имеются свободные от влаги макропоры или образец материала имеет сухие влагонепроницаемые поверхности, то температура материала на поверхности будет больше температуры мокрого термометра.

Таким образом, период постоянной скорости характеризуется постоянной скоростью сушки и постоянной температурой материала, а период падающей скорости--убывающей скоростью сушки и возрастающей температурой материала.

Температурные кривые имеют большое значение для технологии сушки, так как качество высушенного материала в значительной степени зависит от величины температуры материала и длительности ее воздействия. Необходимо отметить, что температура материала в процессе сушки не равна температуре воздуха. В первом периоде при мягких режимах сушки температура материала равна температуре мокрого термометра, поэтому в этом периоде можно применять высокие температуры воздуха при небольшой его влажности. Во втором периоде происходит преодоление сил связи влаги с материалом, поэтому применение высоких температур может сказаться на качестве получаемого продукта.

2. Разработка виртуального стенда для проведения исследования

2.1 Цель и задачи лабораторного исследования

Целью лабораторного исследования является получение основных кривых кинетики сушки: кривой сушки , температурной кривой , и кривой скорости сушки

Получение кривой сушки основано на определении влагосодержания исследуемого материала в определенные моменты времени. Для этого при проведении исследования объект сушки размещается на лабораторных весах, с помощью которых фиксируется масса влажного материала.

Одно из влагосодержаний (начальное или конечное) должно быть положено в основу обработки, а другое служит критерием точности постановки опыта. В [4] рекомендуется производить расчет на конечное влагосодержание . Имея и Мк (масса материала в конце опыта), можно вычислить массу влаги в образце материала по формуле

(2.1)

где mк - масса влаги в образце материала в конце опыта;

- влагосодержание образца в конце опыта.

Зная количество влаги в образце, можно определить массу абсолютно сухого образца, т.е.

(2.2)

где Мс - масса абсолютно сухого образца материала.

Влагосодержание образца вычисляется по формуле

(2.3)

где - влагосодержание образца;

m - масса влаги в образце.

Качественный вид кривой сушки приведен на рисунке 1.1, а описание закономерностей протекания процесса сушки, основанное на анализе кривой сушки изложено в 1.2.

Получение температурной кривой основано на определении средней температуры материала в определенные моменты времени.

Средняя по объему температура тела приближенно определяется следующим образом [4].

Пусть распределение температуры следует параболическому закону

(2.4)

где ? ? безразмерная координата, выбираемая в соответствии с формой классического тела (неограниченная пластина, цилиндр, шар), есть величина постоянная. Предположим, что температура измеряется в 1, 2, … , m точках тела, соответствующих безразмерным координатам ?

 (2.5)

Средняя арифметическая температура тела tср равна

(2.6)

где

(2.7)

Тогда температура поверхности тела будет равна

(2.8)

а температурный градиент у поверхности тела будет следующим

(2.9)

Средняя по объему температура равна

(2.10)

или

(2.11)

где П - постоянный числовой коэффициент (для пластины П=1/3), т.е. средняя арифметическая температура тела равна средней интегральной по объему. Например, если в неограниченной пластине измеряем температуру в точках ? = 0 (в центре), ?1 = 0,6 (на расстоянии 0,6 от половины толщины пластины) и ?2 = 0,8, то

(2.12)

Тогда ? = П = 1/3, т.е. .

Для того, чтобы при расчете средней температуры материала можно было воспользоваться вышеизложенной методикой, в исследуемом образце спаи термопар по толщине материала размещены с соответствии с указанными рекомендациями. Поэтому средняя температура тела определяется как среднее арифметическое температур в трех точках по толщине образца.

Кривую скорости сушки можно получить при последующей обработке кривой сушки и температурной кривой.

Введем понятие температурного коэффициента сушки, который характеризует повышение средней температуры тела при изменении влагосодержания:

(2.13)

где ? средняя температура тела, ?С;

u ? влагосодержание исследуемого материала.

Эта величина является очень важной характеристикой кинетики сушки.

Температурный коэффициент сушки определяется из температурных кривых или из аналитических решений дифференциальных уравнений тепло- и влагопереноса.

Величина является безразмерной. Это соотношение А.В. Лыков назвал критерием Ребиндера.

Зависимость для критерия Ребиндера имеет вид

(2.14)

где с ? удельная теплоемкость влажного тела;

r - удельная теплота испарения влаги.

Критерий Ребиндера зависит от температурного коэффициента сушки, удельной теплоемкости влажного тела и удельной теплоты испарения влаги. Величина критерия Ребиндера показывает отношение количества теплоты, пошедшей на нагрев тела, к количеству теплоты, затраченной на испарение влаги, за бесконечно малый промежуток времени. А. В. Лыков показал, что величина критерия Ребиндера является основным показателем кинетики сушки.

Определение критерия Ребиндера ? основного уравнения кинетики сушки, как функции влагосодержания и температуры является основной задачей, поставленной перед лабораторной работой.

Удельная теплоемкость влажного тела определяется из соотношения:

(2.15)

где с0 - теплоемкость абсолютно сухой части материала, кДж/(кг*К);

св - теплоемкость влаги, кДж/(кг*К).

Удельная теплота испарения влаги:

r = rж+rc (2.16)

где rж - теплота испарения жид кости, кДж/кг;

rс - теплота связи влаги с материалом, кДж/кг.

При поглощении телом влаги происходит выделение определенного количества теплоты, следовательно, для удаления влаги из материала необходимо это же количество теплоты затратить на преодоление сил, связывающих влагу с материалом, что учитывает величина rс.

Выполнив преобразования (2.14), получим:

(2.17)

Т.к. во втором периоде сушки средняя температура изменяется в интервале , выполнив математические преобразования, получим выражение для теоретической температурной кривой

(2.18)

Определение теоретической температуры является одной из задач при обработке экспериментальных данных.

2.2 Описание стенда как физического объекта

2.2.1 Основные технические решения и их обоснования

Процесс сушки влажного материала организован в сушильном шкафу, оборудованном из медицинского термостата. Термостат имеет хорошую тепловую изоляцию, что дает возможность пренебрегать тепловыми потерями через внешние поверхности.

В сушильном шкафу располагаются два одинаковых по размерам образца из одного материала, которые подвергаются высушиванию. В одном из образцов установлены термопары в определенных точках по его толщине для определения температурного поля в материале и нахождения средней температуры образца. Другой образец размещен на лабораторных весах, с помощью которых фиксируется убыль влаги из материала во время проведения опыта. Обработка опытных данных основывается на допущении, что образцы являются абсолютно идентичными и результаты исследования в конечном итоге будут обобщены на один образец. Принятие такого решения обусловлено тем, что размещение термопар во взвешиваемом образце может внести значительную погрешность в результаты определения массы образца за счет упругих деформаций проводов термопар.

Подвод греющего воздуха осуществляется в нижней части камеры сушения. По камере воздух движется снизу вверх и удаляется из установки через отводную трубу. Для предотвращения влияния потока обтекающего образец воздуха на точность измерения убыли влаги из образца, взвешивание проводится при отсутствии подачи сушильного агента в сушильную камеру. При этом нагретый воздух удаляется из установки через решетку, которая размещена в воздуховоде. Установленная перед решеткой заслонка регулирует направление движения воздуха: либо в рабочую камеру, либо через решетку воздух удаляется из установки. После проведения взвешивания нагретый воздух снова направляется в сушильную камеру.

2.2.2 Конструкция лабораторного стенда

Конструктивно лабораторный стенд (рис. 2.1) состоит из сушильного шкафа с установленными в нем исследуемыми образцами, электрокалорифера, воздуховода, вентилятора и контрольно-измерительных приборов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 ? электрощит; 2 ? стойка управления; 3 ? самопишущий потенциометр; 4 ? панель приборов; 5,7 ? рабочие элементы; 6 ? сушильный шкаф; 8 ? заслонка; 9 ? весы; 10 ? воздуховод; 11 ? вентилятор; 12 ? органы управления

Рисунок 2.1 ? Конструкция лабораторного стенда

Сушильный шкаф (рис. 2.2) оборудован из медицинского термостата ТС-80М и состоит из следующих основных частей: корпуса, сушильной камеры, дверцы корпуса, опорных ножек.



Размещено на http://www.allbest.ru/

1 ? сушильная камера; 2 ? короб отвода отработанного сушильного агента; 3 ? место подсоединения воздуховода; 4 ? трубка для штока рамки рабочего элемента

Рисунок 2.2 ? Изображение сушильного шкафа в разрезе

Корпус шкафа представляет собой коробчатую конструкцию бескаркасного типа, выполненную из тонколистового металла. Внутри корпуса установлена сушильная камера, в в нижней и верхней стенках которой имеются отверстия.

Пространство между корпусом и камерой заполнено теплоизоляционными прокладками из гофрированного картона. Спереди проем корпуса закрывается дверцей.

Сушильная камера имеет прямоугольную форму и изготовлена из листовой латуни. Боковые стенки и дно камеры оклеены асбестовой бумагой. Дно камеры перфорировано отверстиями, через которые подается нагретый воздух.

Спереди проем сушильной камеры закрывается остекленной дверцей, что позволяет наблюдать за процессом в камере, не открывая дверцы. Плотное прилегание дверцы обеспечивается задвижкой.

Дверца корпуса имеет прямоугольную форму и выполнена из тонколистового металла. Пространство внутри дверцы заполнено теплоизоляционными прокладками. С внутренней стороны дверца закрыта обшивкой. По периметру дверцы крепится резиновая прокладка, служащая уплотнением между дверцей и корпусом сушильного шкафа.

В нижней части сушильного шкафа имеется прямоугольное отверстие для подсоединения воздуховода. Дно сушильного шкафа имеет круглое отверстие с установленной в нем трубкой для возможности передвижения штока рабочего элемента. В верхней части установлен короб для удаления отработанного сушильного агента из камеры.

Рабочие элементы изображены на рисунке 2.3 и представляют собой плиту шамота-легковеса размерами 100*100*20мм. В сушильной камере одновременно располагаются два образца: в одном установлены рабочие спаи термопар, а другой образец устанавливается на весах. Для испарения влаги только с передней и задней поверхностей рабочего элемента торцы образца закрыты от потока воздуха пластмассовыми пластинами, жестко связанными между собой.

Рабочий элемент с установленными термопарами с помощью съемного крепления устанавливается в сушильной камере. Провода термопар подключаются с помощью специального разъема. Холодные спаи термопар заведены в сосуд Дьюара, из которого отводятся соединительные провода к автоматическому самопишущему потенциометру.



а) б)

а ? рабочий элемент устанавливается на весах; б ? в рабочем элементе установлены спаи термопар

Рисунок 2.3 ? Рабочие элементы

Другой элемент с помощью штока, проходящего через отверстие в дне камеры, устанавливается на лабораторных весах.

Электрокалорифер состоит из двух ступеней нагрева. В первой ступени к воздуху подводится основное количество теплоты от нагревательного элемента. Вторая ступень нагрева предназначена для автоматического регулирования температуры нагрева воздуха на входе в сушильную камеру, нагревательный элемент которой связан с блоком автоматики термостата ТС-80М. Подача напряжения на основной подогреватель осуществляется от регулятора напряжения, с помощью которого устанавливаются величины силы тока и напряжения. Для контроля силы тока и напряжения в спиралях нагревательных элементов на панели приборов размещены амперметры и вольтметр. Амперметры включены последовательно в цепь каждой ступени нагревателя, а вольтметр подключается к цепи ступени нагрева с помощью переключателя.

Воздуховод (рис. 2.4) предназначен для подачи нагреваемого в электрокалорифере воздуха в сушильную камеру. Он изготавливается из тонколистового металла и имеет прямоугольное сечение 7,64·10-3 м2, в котором размещены нагревательные элементы электрокалорифера.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 ? нагревательный элемент; 2 ? заслонка; 3 ? решетка

Рисунок 2.4 ? Изображение воздуховода в разрезе

На втором участке по ходу движения воздуха сечение воздуховода постепенно увеличивается. Угол раскрытия канала при этом составляет 15, что предотвращает возможность разрыва потока нагретого воздуха.

Конструкция воздуховода предусматривает возможность прекращения подачи нагретого воздуха в сушильную камеру и возможность удаления его из установки с помощью заслонки через специальную решетку.

Электропитание стенда осуществляется от щита трехфазным напряжением 380В. Через предохранители подается напряжение на все элементы.

Для привода вентилятора используется асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором, питание на который поступает через выключатель.

Подача напряжения на нагревательный элемент первой ступени нагрева осуществляется включением в сеть регулятора напряжения РНО. В цепи нагревательного элемента имеется реле, которое удерживает контакты при прохождении тока через него. Контакты реле замыкают электрическую цепь индикаторной лампы и она сигнализирует о работе нагревателя. В случае обрыва цепи (например, перегорание нихромовой проволоки нагревательного элемента) контакты реле размыкаются и лампа отключается, что свидетельствует о том, что нагреватель не работает. Для безопасной работы с регулятором напряжения его корпус заземляется.

Вторая ступень нагрева расположена в блоке автоматики термостата. Запитывается блок напряжением 220 В. В блоке имеется лампа, которая свидетельствует о работе нагревателя второй ступени нагрева.

Весы включаются в работу тумблером от сети напряжением 220 В.

Аналогичным образом подключается автоматический потенциометр ЭПП. Кроме того, потенциометр заземляется.

2.3 Перевод физического лабораторного стенда в виртуальный

Создание трехмерной модели лабораторного стенда выполняется в несколько этапов. На первом этапе выполняется моделирование деталей, и осуществляется их группирование. Данные операции выполняются с помощью компьютерной программы Solid Works. Результатом данного этапа создания виртуальной модели является полностью скомпонованная модель стенда, изображенная на рисунке 2.5.



Рисунок 2.6 - Модель лабораторного стенда, созданная с помощью программы Solid Works

На втором этапе создания виртуальной модели стенда производится экспортирование полученной модели в программу 3dsmax. В данной программе выполняется окончательная доработка модели: создание и присвоение материалов, организация освещения сцены, наложение теней, нанесение буквенно-цифровой информации на элементы стенда. В результате выполнения этого этапа работы по созданию модели получаем стенд, который является копией физического с достаточно высоким уровнем подобия.

Третий, заключительный этап основан на выполнение действий, имитирующих проведение лабораторной работы. При этом создаются анимационные ролики в формате avi ? файлов. Процесс просчета видеоизображения выполняется с одновременно выполняемой компрессией, в результате чего получаем видеоролик, имеющий незначительный обьем. Видеосжатие производится с использованием Div-X кодека.

2.4 Описание методики проведения исследования и обработки результатов эксперимента

В основу эксперимента положен основной критерий сушки ? Критерий Ребиндера, физический смысл которого изложен в 2.1. Имея зависимость критерия Ребиндера от влагосодержания в явном виде, можно на основании экспериментальных данных получить теоретическое распределение средней температуры исследуемого материала во времени. Проведение лабораторной работы с последующей обработкой полученных опытных данных предусматривает решение данной задачи.

Для нахождения критерия Ребиндера необходимо получить температурный коэффициент сушки в явном виде. Для этого требуется в качестве результата проведенного исследования получить кривую сушки ? изменение среднего влагосодержания во времени (рис. 1.1) и температурную кривую ? изменение средней температуры материала во времени (рис. 1.4, 1.5).

Кривая сушки строится на основании значений убыли влаги из материала в определенные моменты времени по методике, изложенной в 2.1. Для получения значений убыли влаги из материала исследуемый образец помещается на лабораторных весах, которыми фиксируется масса образца при проведении взвешиваний в требуемый момент времени и заносится в журнал наблюдений. После завершения эксперимента производится пересчет по формуле (2.3) и на основании полученных данных строится кривая сушки.

Для получения температурной кривой в исследуемом элементе размещены спаи термопар, с помощью которых потенциометром производится пространственно-временное измерение значений температуры в определенных точках по толщине образца. Все измерения температуры фиксируются на диаграммной ленте потенциометра. Полученные данные пересчитывают по формуле (2.11), в результате чего строится зависимость средней температуры материала во времени.

Для определения массы абсолютно сухого материала образец помещается в специальный сушильный шкаф где удерживается при температуре 105С до постоянства его массы. После этого образец взвешивается, и результат записывается в журнале. Данная процедура производится один раз для конкретного материала.

Перед началом эксперимента исследуемые образцы помещаются на определенное время в емкость с водой. Затем образцы вынимаются из емкости и удерживаются над ней до тех пор, пока с их поверхности не стечет свободно-удерживаемая влага. Потом образцы помещаются на некоторое время в целлофановый пакет, в котором влага не испаряется с поверхности материала образца, а равномерно распределяется по его объему. После выполнения вышеуказанных приготовлений рабочие элементы являются подготовленными для проведения опыта.

Ниже приведена последовательность проведения эксперимента на лабораторном стенде:

1) с помощью выключателя на лабораторный стенд подается напряжение, о чем засвидетельствует загорание сигнальной лампы;

2) заслонка воздуховода устанавливается в положении, при котором воздух удаляется из установки;

3) нажатием кнопки осуществляется запуск вентилятора;

4) с помощью регулятора напряжения подается питание на 1-ю ступень нагрева воздуха.

5) вращением ручек потенциометра блока автоматики устанавливается температура нагретого воздуха на входе в рабочую камеру. Контроль силы тока и напряжения на нагревательных элементах осуществляется с помощью амперметров и вольтметра, установленных на приборной панели;

6) после достижения в сушильной камере требуемой температуры, нагретый воздух с помощью шиберов направляется в дополнительный воздуховод;

7) подается питание на потенциометр и весы;

8) рабочие образцы вынимаются из целлофанового пакета и помещаются в сушильную камеру. Включается механизм передвижения диаграммной ленты потенциометра и в журнале наблюдений фиксируется время начала опыта;

9) поворотом заслонки нагретый в калорифере воздух направляется в сушильную камеру.

10) через определенный промежуток времени прекращается подача воздуха в сушильную камеру и производится взвешивание образца на протяжении 10 секунд (время успокоения весов);

11) поочередно с определенным интервалом времени повторяются п. 9, 10 до окончания опыта. Результаты опыта заносятся в журнал наблюдений.

Таким образом, в качестве экспериментальных данных необходимо иметь две согласованные временные зависимости: температуры и массы исследуемого материала.

Дальнейшая обработка полученных зависимостей выполняется следующим образом. Методом численного дифференцирования кривых и определяются зависимости и , методика получения которых будет рассмотрена во втором разделе данной работы. По данным зависимостям выполняется пересчет, в результате которого определяется зависимость вида , которая потом преобразуется в зависимость . После этого необходимо получить зависимость в явном виде, для чего сначала определяется вид данной функции, потом по методу выравнивания проверяется ее соответствие экспериментальной зависимости, и в конце определяются коэффициенты в уравнении, описывающем рассматриваемую кривую.

Получив зависимость в явном виде, определяется уравнение критерия Ребиндера.

Над зависимостью для критерия Ребиндера производится численное интегрирование, в результате чего определяется зависимость средней температуры материала во времени.

Далее производится сравнение экспериментальной температурной кривой с теоретической, полученной на основании опытных данных, после чего делаются выводы о причинах расхождения данных зависимостей и возможности применения на практике полученных результатов.

3. Методика выполнения лабораторной работы

3.1 Запуск программы. Ознакомление и сборка стенда

При запуске файла suchka.exe на экране отображается запрос ввода пароля. В зависимости от введенного пароля отображается требуемое меню программы. Каждому варианту исходных данных также присваивается определенный пароль. Перед началом работы каждому компьютеру присваивается определенный вариант исходных данных, после чего лаборант выполняет запуск программы посредством ввода пароля, соответствующего номеру варианта.

После того, как все студенты займут места за компьютерами, в журнале регистрируется, какой компьютер соответствует каждому студенту. Присвоение каждому варианту своего пароля исключает возможность повторения на одном компьютере проведения студентом следующей группы лабораторной работы с таким же набором исходных данных, что обеспечивает индивидуализацию проведения работы. Для этого при запуске программы для студента последующей группы вводится пароль, соответствующий другому варианту.

После запуска программы на экране отображается заставка с рисунком, соответствующем специфике работы кафедры. После разрешения руководителя, студенты приступают к проведению лабораторной работы.

Для проверки подготовленности студентов к проведению лабораторной работы им предлагается пройти входное тестирование. Методика прохождения теста и описание процедуры тестирования будет подробно изложена в 3.2.

При положительном прохождении теста студенту выдается сообщение, что он допущен к проведению работы. После этого на экране выполняется проигрывание видеоролика, на котором транслируется процедура сборки лабораторного стенда и в титрах описывается функциональное предназначение основных элементов лабораторного стенда. Данный видеоролик дает возможность студенту ознакомится с конструкцией стенда, что облегчит проведение исследования на следующем этапе работы.

Далее студенту для ознакомления предоставляется видеоролик, который описывает предназначение и конструктивные особенности рабочих элементов, подвергающихся высушиванию в процессе проведения исследования. Управляющей программой исключена возможность перехода на следующий этап работы без просмотра всех видеофрагментов.

После того, как полностью будут проиграны ознакомительные видеоролики, студент приступает непосредственно к выполнению лабораторной работы.

3.2 Входное тестирование

Для проверки степени подготовки студента к выполнению лабораторной работы управляющей программой предусматривается входное тестирование, выполняемое в автоматическом режиме.

Тест содержит базу данных, в которой имеются различного рода вопросы. Вопросы теста сортированы на 3 группы по уровню сложности. Так в группе 1 размещены вопросы низкого уровня сложности, в группе 2 ? среднего, а в группе 3 ? высокого.

Каждая из групп имеет две подгруппы вопросов:

? подгруппа вопросов, ответы на которые необходимо давать путем выбора из предлагаемых вариантов;

? подгруппа вопросов, ответы на которые необходимо давать путем ввода слова с клавиатуры.

Последовательность задавания вопросов в пределах подгруппы формируется генератором случайного числа. На прохождение теста выделяется 15 минут. Отсчет времени изображается на экране.

За время прохождения теста необходимо дать ответ на 12 вопросов. Последовательность вывода вопросов на экран следующая:

? 1-я группа 1-я подгруппа;

? 1-я группа 2-я подгруппа;

? 2-я группа 1-я подгруппа;

? 2-я группа 2-я подгруппа;

? 3-я группа 1-я подгруппа;

? 3-я группа 2-я подгруппа;

Далее цикл повторяется.

Для корректировки или добавления вопросов в базу данных программой предусматривается вход в блок с вопросами через определенный пароль. После ввода пароля на экране появляется область редактора тестов, изображенная на рисунке 3.1.



Размещено на http://www.allbest.ru/

1 ? группа сложности вопроса; 2 ? строка формулировки вопроса; 3 ? область ввода текста вопроса; 4 ? задание правильного ответа на вопрос; 5 ? кнопка выхода из меню редактора вопросов; 6 ? область ввода вариантов ответа; 7 ? установка вопроса с ответом в виде ключевого слова; 8 ? кнопка перехода на первый вопрос; 9 ? кнопка перехода на предыдущий вопрос; 10 кнопка перехода на последующий вопрос; 11 ? кнопка перехода на последний вопрос базы данных

Рисунок 3.1 ? Редактор вопросов теста

В качестве пароля в начале программы необходимо ввести слово ”Edit”, после чего на экране отображается окно редактора вопросов теста.

За правильный ответ на вопрос из 1-й группы присваивается 1 балл, на вопрос из 2-й группы - 2 бала, на вопрос из 3-й группы - 3 балла. По мере ответов на вопросы количество баллов суммируется (отображается на экране). Положительным результатом теста считается набор 17 баллов. Окончанием теста считается ответ на последний вопрос или завершение отведенного времени.

Окно тестирования изображено на рисунке 3.2, на котором во время прохождения теста помимо вопросов и вариантов ответов студенту предоставляется информация о количестве набранных им баллов и о времени, которое остается до завершения теста.

Программой предусмотрено прохождение тестирования в два этапа, в каждом из которых вопросы задаются в порядке увеличения сложности. Это сделано для того, чтобы у студента была возможность дать ответ на вопросы всех уровней сложности при нехватке времени.

При формировании базы данных с вопросами программой предусмотрена процедура контроля повторяемости вопросов в процессе тестирования. Несмотря на то, что вопросы выдаются генератором случайного числа, при контрольном прохождении теста в случае недостаточного количества вопросов в пределах подгруппы, формируется сообщение о том, что в базе данных недостаточное количество вопросов и они будут повторяться. При этом необходимо через пароль зайти в окно редактора вопросов и добавить их необходимое количество.

В случае положительного прохождения тестирования студенту выдается сообщение о том, что он успешно прошел тестирование и допускается к проведению лабораторной работы.

В случае если студент за время прохождения теста не набрал проходное количество баллов, ему выдается сообщение, что он не прошел входное тестирование. После этого происходит полный выход из программы, запустить которую можно через пароль, известный только лицу, контролирующему выполнение лабораторной работы студентами.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 ? область вопроса; 2 ? таймер учета времени; 3 ? кнопка подтверждения ответа на вопрос и перехода к следующему вопросу; 4 ? счетчик заработанных баллов; 5 ? область выбора ответа на вопрос; 6 ? область ввода ответа на вопрос с клавиатуры

Рисунок 3.2 ? Область окна тестирования

3.3 Проведение исследования

При положительном результате входного тестирования на экране изображается рабочая область, содержащая необходимые для проведения лабораторной работы компоненты: область для проигрывания видеороликов и набор функциональных кнопок, необходимых для управления работой стенда и проведения эксперимента. Общий вид рабочего окна для демонстрации выполнения лабораторной работы представлен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 ? Общий вид рабочего окна при проведении исследования

В области проигрывания видеороликов изображен лабораторный стенд, подготовленный к проведению лабораторной работы. В правой части главного окна представлены кнопки для управления стендом при проведении работы, имеющие следующее функциональное назначение:

· вентилятор «ВКЛ/ВЫКЛ» ? включение/выключение вентилятора, подающего воздух по газоходу из помещения в сушильную камеру;

· нагреватель «ВКЛ/ВЫКЛ» ? включение/выключение нагревательного элемента;

· потенциометр «ВКЛ/ВЫКЛ» ? включение/выключение движения диаграммной ленты потенциометра;

· заслонка « | », « ? » ? положения заслонки воздуховода, при которых соответственно воздух направляется в сушильный шкаф либо удаляется из установки;

· «взвешивание» ? проведение взвешивания исследуемого образца на весах;

· «помощь» ? кнопка служит для указания действий при затруднениях в работе.

При нажатии на кнопку «помощь» на экране изображается окно, содержащее следующую таблицу:

Таблица 3.1 ? Содержание меню «помощь»

Включение установки	1. Включить вентилятор 2. Включить нагреватель 3. Включить потенциометр
Проведение взвешивания	1. Перекрыть подачу воздуха в камеру 2. Произвести взвешивание 3. Возобновить подачу воздуха в рабочую камеру

Подобные документы

• Теоретические основы сушки и сушильные устройства

  Сушильные устройства и режимы сушки керамических изделий. Периоды сушки. Регулирование внутренней диффузии влаги в полуфабрикате. Длительность сушки фарфоровых и фаянсовых тарелок при одностадийной и при двухстадийной сушке. Преимущества новых методов.
  
  реферат [418,0 K], добавлен 07.12.2010
  

• Изучение процесса конвективной сушки

  Определение и построение кривой скорости сушки. Cопоставление расчетного и опытного значений коэффициента массоотдачи. Определение критерия Рейнольдса. Расчет интенсивности испарения влаги. Динамический коэффициент вязкости воздуха и скорость обдува.
  
  лабораторная работа [1,0 M], добавлен 27.03.2015
  

• Разработка автоматического управления процесса сушки полидисперсных материалов во взвешенно-закрученном слое

  Сущность процесса сушки. Расчет сушильной установки. Аппаратное обеспечение процесса сушки. Технологические основы регулирования сушилок с кипящим слоем. Определение момента окончания сушки по разности температур. Автоматизация сушильных установок.
  
  дипломная работа [2,7 M], добавлен 25.01.2011
  

• Барабанная сушилка для сушки яблочных выжимок

  Описание технологии производства пектина. Классификация сушильных установок и способы сушки. Проектирование устройства для сушки и охлаждения сыпучих материалов. Технологическая схема сушки яблочных выжимок. Конструктивный расчет барабанной сушилки.
  
  курсовая работа [2,9 M], добавлен 19.11.2014
  

• Конструкция, методика расчёта сушил

  Установки для сушки сыпучих материалов. Барабанные сушила, сушила для сушки в пневмопотоке и кипящем слое. Установки для сушки литейных форм, стержней. Действие устройств сушильных установок. Сушила с конвективным режимом работы. Расчет процессов сушки.
  
  курсовая работа [2,9 M], добавлен 29.10.2008
  

• План лесосушильного цеха

  Устройство и принцип действия основного и дополнительного оборудования. Выбор и обоснование режимов сушки и влаготеплообработки. Расчет продолжительности цикла сушки, количества камер. Определение параметров агента сушки, а также расхода теплоты.
  
  курсовая работа [139,6 K], добавлен 23.04.2015
  

• Автоматизация технологической линии "D" сушки ПВХ

  Общая характеристика и принцип действия сушилки Т-4721D, предназначенной для сушки ПВХ. Теплообменные процессы в сушилке. Инженерный анализ технологического процесса как объекта автоматизации. Разработка функциональной схемы автоматизации процесса сушки.
  
  курсовая работа [52,7 K], добавлен 22.11.2011
  

• Модернизация автоматизированной системы регулирования температуры стенда сушки промковшей

  Разработка автоматизированной системы регулирования стенда сушки промковшей ЭСПЦ ЧерМК ОАО "Северсталь". Монтаж оборудования и наладка программного обеспечения, проверка работы. Расчет затрат на модернизацию системы, оценка экономической эффективности.
  
  дипломная работа [4,6 M], добавлен 22.04.2015
  

• Модернизация стенда сушки футеровок и разогрева погружных стаканов

  Требования к установкам сушки и разогрева промежуточных ковшей. Постановка задач на проектирование. Выбор и техническая характеристика исполнительных механизмов. Разработка структуры системы управления автоматизированного модуля управления стендом.
  
  дипломная работа [2,0 M], добавлен 03.04.2011
  

• Проектирование сушильной установки для сушки шлама, вписываемой в технологическую линию по производству БТЦ

  Расчет горения топлива и начальных параметров теплоносителя. Построение теоретического и действительного процессов сушки на I-d диаграмме. Материальный баланс и производительность сушильного барабана для сушки сыпучих материалов топочными газами.
  
  курсовая работа [106,3 K], добавлен 03.04.2015
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам