Использование переменного тока в производстве консервов

Федеральное Государственное Общеобразовательное Учреждение

 Высшего Профессионального Образования

Калининградский Государственный  Технический Университет

кафедра физики

 

 

 

«Использование  переменного тока в производстве консервов»

Курсовая работа по физике

                        КР 83.260501.65 3

 

 

 

Руководитель КР К.ф.м.н. доцент                       Р.Х. Сулейманов

КР  выполнила          студентка гр. 09-ОП Н.О.Крюкова

 

 

 

 

г. Калининград

2011 г.

Содержание

Введение....................................................................................................3

Глава I. Физические основы переменного тока.......................................4

1.1 Переменный ток в колебательном контуре..............................4

1.2 Затухающие электромагнитные колебания..............................7

1.3 Вынужденные электромагнитные колебания.........................10

1.4 Метод комплексных амплитуд................................................14

1.5 Мощность переменного тока...................................................20

1.6 Трансформация переменного  тока..........................................22

Глава II. Технологические  основы использования переменного  тока в консервировании.....................................................................................24

2.1 Плодовые и ягодные соки.......................................................24

 2.2 Физиологические особенности плодов и сокоотдача растительного сырья после механических воздействий........................26

2.3 Электроплазмолиз – как новый физический метод повышения сокоотдачи...............................................................................................28

      2.4 Конструкция и принцип работы электроплазмолизатора. Первые электроплазмолизаторы..............................................................................32

 2.5 Типы электроплазмолизаторов..............................................34

 Заключение.............................................................................................36

Список используемой литературы.........................................................37

Приложение.............................................................................................38

 

 

 

 

 

 

Введение

В данной курсовой работе речь идет о различных направлениях использования  переменного тока в производстве консервов. Консервирование, как метод сохранения продуктов от порчи, известно с давних пор (засол, квашение, сушка). Консервы в современном понятии (продукты, укупоренные в герметическую тару и стерилизованные) появились в начале XIX века и в настоящее время вырабатываются во всех странах мира. Существует много методов консервирования. Выбор того или иного из них зависит от вида и свойств сырья, а также от назначения готового продукта. Однако во всех случаях нужно не только сохранить сырье от порчи, но и получить продукт, обладающий высокой пищевой ценностью, обусловленной содержанием в нем биологически важных веществ (белков, жиров, ;углеводов, минеральных солей, витаминов). От химического состава продукта зависят его вкус, цвет, аромат, а также калорийность и усвояемость. Чтобы препятствовать  порче консервированных продуктов используются различные методы. Действием электрического тока мы можем прекратить жизнедеятельность микроорганизмов, сопровождающуюся прекращением жизненных процессов в сырье – принцип анабиоза.

Так как область применения переменного тока в производстве консервов очень велика, я буду рассматривать процесс сокоотдачи плодов и ягод, который является неотъемлемой частью изготовления консервов.

Итак, целью моей курсовой работы является изучить использование переменного тока при производстве консервов.

Для выполнения этой цели я  поставила перед собой следующие  задачи:

1. Изучить физические основы переменного тока;
2. Изучить применение переменного тока в производстве консервов на примере извлечения сока из плодов и ягод.
3. Изучить экспериментальное исследование Б. Л. Флауменбаума интенсификации процесса извлечения сока из плодов и ягод.

 

Глава I. Физические основы переменного тока.

1.1 Переменный ток в колебательном контуре.

Вынужденные электромагнитные колебания можно рассматривать  как протекание в цепи, содержащей в цепи, содержащей резистор, катушку  индуктивности и конденсатор, переменного  тока. Электромагнитные возмущения распространяются в пространстве и в различных  радиотехнических устройствах со скоростью  света   c=3∙10⁸ м/с.  Расстояние l=3м электромагнитное возмущение пробегает за время t=l/c=10^-8 с. Поэтому мгновенные значения силы тока во всех точках однородного участка цепи практически одинаковы. Такие точки называют квазистационарными. Мгновенные значения квазистационарных токов подчиняются закону Ома и правилу Кирхгофа. Одно из правил Кирхгофа утверждает, что алгебраическая сумма падений напряжений в замкнутой электрической цепи (контуре) равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этой цепи:

• U= ε      (1).

Электрическая цепь, состоящая  из катушки индуктивности и конденсатора, называется колебательным контуром (рис. 1). Сила тока I, текущего в контуре, а также заряд Q и напряжение U на конденсаторе изменяются с течением времени: I=I(t) , Q=Q(t) и U=U(t). Найдем эти функции.

Согласно правилу Кирхгофа (1) падение напряжения на конденсаторе U равно ЭДС в катушке индуктивности:

U= ε_L       (2) .

Напряжение на конденсаторе пропорционально заряду на его обкладках:

U= (3),

а ЭДС самоиндукции в катушке  определяется формулой

ε_L= -L     (4).

Подставив (3) и (4) в равенство (2), получим уравнение

=-L      (5).

Сила тока и заряд на конденсаторе связаны соотношением

I=    (6)

Выразим из соотношений (3) и (6) заряд на конденсаторе и силу тока в контуре через напряжение между  обкладками конденсатора:

Q=CU    (7),

I=C     (8)

Подстановка этих выражений  в равенство (5) после элементарных преобразований приводит к уравнению

 + ω²_oU=0   (9), где ω_o= (10).

Уравнение (9) есть универсальное  уравнение гармонических колебаний. Общее решение этого дифференциального  уравнения имеет вид

U(t)=U_mcos(ω_ot+ α)     (11),

где U_m – амплитуда напряжения, α – начальная фаза.

Величина (10) называется собственной  частотой электромагнитных колебаний  в контуре. Функция (11) описывает  гармонические колебания напряжения на обкладках конденсатора. Амплитуда U_m и начальная фаза α этих колебаний могут быть найдены из начальных условий. Период колебаний

T=₌   (12) – формула Томсона.

Зная зависимость (11) напряжения на конденсаторе от времени t, по формулам (7) и (8) можно установить, как изменяются со временем заряд на обкладках конденсатора и сила тока в контуре:

Q(t)=Q_mcos(ω_ot+ α)     (13)

I(t)=-I_msin (ω_ot+ α)    (14)

где Q_m=CU_m и I_m= ω_oQ_m  (15) – амплитуды заряда и тока соответственно.

Имея ввиду формулу (6), умножим левую часть равенства (5) на производную Q, а правую – на I. Полученное уравнение

 =-LI   можно преобразовать к виду

()=0   (16)

Из этого равенства  следует, что выражение в круглых  скобках не изменяется с течением времени:

 const   (17).

Первое слагаемое в  левой части этого равенства  есть энергия электрического поля в  заряженном конденсаторе

W_э=     (18) а второе   W_м=(19)  - энергия магнитного поля в катушке.

Равенство (17) выражает собой  закон сохранения энергии, согласно которому полная энергия в контуре, равная сумме энергий электрического поля в конденсаторе и магнитного поля в катушке, со временем не изменяется.

 

 

1.2 Затухающие электромагнитные колебания.

Соединительные провода  и проволока, из которой изготовлена  катушка индуктивности, обладают некоторым  сопротивлением R. Схема реального колебательного контура, учитывающая это сопротивление, показана на рисунке 2.

Правило Кирхгофа в этом случае приводит к равенству

U+U_R= ε_L       (20),

 где по Закону Ома  падение напряжения на сопротивление U_R=RI     (21).

При помощи формул (3), (4) и (21) преобразуем равенство (20) к виду

+RI=- LI      (22)

Подстановка в это равенство  выражений (7) и (8) приводит к дифференциальному  уравнению

+2 β+ ω²_oU=0   (23)    где β= , ω_o=  (24)

Уравнение (23) имеет 2 типа решений . Если коэффициент затухания β меньше частоты ω_o: β < ω_o    (25), то решением этого уравнения будет являться функция вида  U(t)=U_ocos(ωt+α)   (26),

где U_o и α – постоянные интегрирования,  ω=     (27).

Эта функция описывает  затухающие колебания напряжения на конденсаторе. Ее график изображен  на рис. 3.

Неравенство (25) выполняется, когда сопротивление R контура не очень велико и выполняется неравенство          R<R_кр         (28), где R_кр=2       (29)

называется критическим  сопротивлением. Таким образом, колебания  в контуре возможны, когда его  сопротивление меньше критического.

Амплитуда затухающих колебаний     U(t)=U_o  (30) при U_o>0 есть монотонно убывающая функция, которая при tобращается в ноль. Логарифмический декремент затухания

          (31)

характеризует  уменьшение амплитуды с течением времени. Под  знаком логарифма в формуле (31) стоит  отношение амплитуды колебаний  в момент времени t к амплитуде колебаний в момент времени t+T, где T= – период затухающих колебаний. Подставив функцию (30) в формулу (31), получим соотношение

      (32)

В качестве характеристики колебательного контура используют также величину      Q=     (33), которую называют добротностью контура. Используя полученные ранее формулы, можно записать слудующие выражения для добротности:

      

Если коэффициент затухания мал (), то           (34).

Когда сопротивление R контура больше критического, неравенство (25) нарушается. В этом случае общее решение уравнения (23) имеет вид

       (35)

где С₁ и C₂ – произвольные постоянные, при условии что .

Функция (35) описывает апериодические изменения напряжения на конденсаторе, с которого стекают накопленные  на его обкладках заряды. Возможные  графики этой функции изображены на рис. 4

Кривая 1 на рис. 4 соответствует  случаю, когда в момент времени t=0 конденсатор был заряжен, а ток в контуре был равен нулю. Затем конденсатор стал разряжаться и в контуре появился ток. В некоторый момент времени напряжение на конденсаторе станет равным нулю, но при этом в контуре еще будет идти ток. Поэтому конденсатор снова начнет заряжаться, но в обратной полярности. После того, как напряжение на конденсаторе достигнет наибольшего значения, он будет разряжаться. Кривая 2 соответствует случаю, когда в момент времени t=0 конденсатор не был заряжен, но по контуру шел ток и в катушке было магнитное поле. Затем заряды стали натекать на обкладки конденсатора, т.е. он стал заряжаться. Напряжение на конденсаторе растет до максимума и после этого снижается до нуля.

Умножим уравнение (22) на I и преобразуем полученное равенство так:

      (36)

Это уравнение можно записать следующим образом:

, где   (37) – полная энергия контура,

P=RI² (38) – мощность джоулева энерговыделения, т.е. количество тепла, которое выделяется за единицу времени в проводах и катушке при прохождении по ним электрического тока.

Таким образом, приходим к  заключению, что энергия контура  уменьшается со временем (dW<0). За время dt энергия W электрического и магнитного полей уменьшается на величину , которая равна теплу Pdt, выделяющемуся за это время в сопротивлении.

 

 

1.3 Вынужденные электромагнитные колебания.

Подключим колебательный  контур, сопротивление которого равно  R, к генератору переменной электродвижущей силы

 ,

 где  и - амплитуда и частота напряжения (ЭДС), вырабатываемого генератором (рис. 5).

В этом случае правило Кирхгофа дает уравнение

 ,

которое преобразуем при  помощи формул (7) и (8) к виду

 (39),

где функция U=U(t) описывает колебания напряжения в конденсаторе. Линейное дифференциальное уравнение называют неоднородным, если его правая часть не равна нулю. Общее решение линейного неоднородного уравнения (39) представляет собой сумму