CC BY
90
УДК 664.3
Анализ теплофизических характеристик рапсового масла Analysis of thermophysical characteristics of rapeseed oil
Профессор A.H. Остриков, ст. преподаватель A.B. Горбатова, доцент М.В. Копылов, аспирант А.А. Аникин
(Воронежский государственный университет инженерных технологий) кафедра технологии жиров процессов и аппаратов химических и пищевых производств, тел. (8473) 255-38-37 E-mail: oan@vsuet.ru
Professor A.N. Ostrikov, Senior Lecturer A.V. Gorbatova, Associate Professor M.V. Kopylov, Graduate Student A.A. Anikin
(Voronezh State University of Engineering Technology) chair of technology of fats processes and devices of chemical and food industries, tel. (8473) 255-38-37 E-mail: oan@vsuet.ru
Реферат. По пользе для человеческого организма рапсовое масло выходит на первое место относительно других растительных масел благодаря высокому содержанию полиненасыщенных жирных кислот. Продукт используют не только в пищевой, но и в топливной промышленности, а также в косметологии, мыловарении. Отходы, которые остаются после отжима, добавляют в корм животным. Проведение исследований процесса получения рапсового масла невозможно без знания теплофизических характеристик. При определении теплофизических характеристик использован метод нестационарного теплового режима, основанный на решении задачи теплопроводности для начальной стадии процесса, а именно метод двух температурно-временных точек, разработанный B.C. Волькенштей-ном. Определение зависимости теплофизических характеристик рапсового масла проводились на измерительной установке Cossfield RT-1394 Н (National Instruments). Управление ходом эксперимента и обработка измерительной информации осуществляется посредством виртуального прибора, разработанного в Lab View 7.0. В результате были получены аналитические зависимости (использовались значения теплофизических характеристик для интервала температур 293...353 К ). В результате проведенных исследований установлено, что зависимость теплофизических характеристик рапсового масла от температуры носит линейный характер. С ростом температуры происходит уменьшение таких теплофизических характеристик, как теплопроводность и коэффициент температуропроводности. Удельная теплоемкость рапсового масла с увеличением температуры тоже увеличивается. Используя полученные данные, можно определить критериальные зависимости для процессов, происходящих с использованием рапсового масла, а также определить гидродинамические характеристики, например. при производстве майонезной продукции.
Summary. As for the human body, rapeseed oil comes first with respect to other vegetable oils, thanks to the high content of polyunsaturated fatty acids. The product is used not only in food, but also in the fuel industry, as well as in cosmetology and soap making. Waste that remains after spinning is added to the animal feed. Carrying out studies of the process of obtaining rapeseed oil is impossible without knowledge of thermophysical characteristics. In determining the thermophysical characteristics, the method of the nonstationaiy thermal regime based on the solution of the heat conduction problem for the initial stage of the process, namely the method of two temperature-time points, developed by V.S. Wolkenstein. Determination of the dependence of the thermophysical characteristics of rapeseed oil was carried out at the Cossfield RT-1394 H (National Instruments) measuring system. The control of the progress of the experiment and the processing of the measurement information are carried out by means of a virtual device developed in Lab View 7.0. As a result, analytical dependencies were obtained (the values of thermophysical characteristics for the temperature interval 293 ... 353 К were used). As a result of the studies carried out, it was established that the dependence of the thermophysical characteristics of rapeseed ой on temperature is linear. As the temperature rises, the thermophysical characteristics such as thermal conductivity and the coefficient of thermal diffusivity decrease, the specific heat of rapeseed oil increases with increasing temperature. Using the obtained data it is possible to determine the criterial dependencies for thermal processes occurring with the use of rapeseed oil, to determine the hydrodynamic characteristics, for example, in the production of mayonnaise products.
© Остриков A.H., Горбатова A.B., Копылов М.В., Аникин A.A., 2017
Ключевые слова: рапсовое масло, теплофизика, коэффициент теплопроводности, коэффициент температуропроводности, массовая удельная теплоемкость.
Keywords: rapeseed oil, thermal physics, coefficient of thermal conductivity, coefficient of thermal diffusivity, mass specific heat.
Масло, отжимаемое из растения, называемого рапс, имеет одноименное название. Второе название этого продукта - «северное оливковое». Имеет приятный вкус, прозрачное на вид, не горчит, отличается длительным сроком хранения. По пользе для человеческого организма выходит на первое место относительно других растительных масел благодаря высокому содержанию полиненасыщенных жирных кислот. Продукт используют не только в пищевой, но и в топливной промышленности, а также в косметологии, мыловарении. Те отходы, которые остаются после отжима, добавляют в корм животным [2, 4, 5].
Научное обоснование процесса прессования рапсового масла невозможно без знания теплофизических характеристик (коэффициента температуропроводности а, м2/с, коэффициента теплопроводности I, Вт/(м-К), удельной теплоемкости с, Дж/(кг-К) ).
В результате анализа процесса холодного отжима семян рапса было установлено, что внутренние характеристики системы прессующего оборудования являются функцией нескольких множеств независимых друг от друга переменных. В результате экспериментальных исследований были выявлены основные оптимальные параметры для получения рапсового масла. При этом при увеличении зазора между пластинами происходит продавливание мезги, которая затем попадает в масло и снижает его качество [ 1, 3J.
Теплофизические характеристики определялись по методу нестационарного теплового режима (метод B.C. Волькенштейна), который основывается на получении решения задачи теплопроводности для начальной стадии процесса. Теплофизические характеристики рапсового масла измерялись с использованием установки Cossfield RT-1394H (National Instruments) (рис. 1). Любой продукт в целом обладает рядом теплофизических свойств, из которых наибольшее значение имеют теплопроводность, теплоемкость и температуропроводность. Определение теплофизических свойств осуществлялось следующим образом: навеска исследуемого образца масла направлялась в углубление цилиндра измерительной установки; начиналось термостатирование; замерялась температура в слое нагревателя; отключался нагревательный элемент измерительного устройства; регистрировалась через установленное время температура нагревателя измерительного устройства; отключался привод внешнего цилиндра при достижении необходимой температуры; определялись теплофизические свойства исследуемого вида растительного масла по экспериментальной информации с использованием расчетных соотношений, полученных в ходе решения обратной задачи теплопроводности с применением набора программ Lab View 7.0. Навеска заданной массы исследуемого объекта помещалась в полу-Рис.1. Измерительная сферическое углубление внешнего цилиндра установки установка Cos s fie Id Cossfield RT-1394H, так определялась плотность образ-RT-1394H цов масла.
Плотность исследуемого образца должна соответствовать следующему условию [6]:
Теплофизические свойства необходимы для проектирования оборудования, необходимого для осуществления тепловых, механических и гидромеханических процессов с использованием рапсового масла.
Теплофизические свойства обусловливают характер и скорость протекания процесса нагревания или охлаждения продукта. Значения теплофизических характеристик образцов рапсового и подсолнечного масла для диапазона температур 293...353 К приведены в табл. 1.
Таблица 1
Теплофизические своЗства образцов масла
Интервал температур, °С Рапсовое масло Подсолнечное масло
Плотность (р), кг/м3
20 907,8 926
30 901,2 919
40 894,2 912
50 887,3 905
60 880,3 898
Коэффициент температуропроводности (а), 108 м2/с
20 10,62 8,35
30 10,39 8,26
40 10,16 8,20
50 10,03 8,10
60 9,89 8,03
Коэффициент теплопроводности (А), Вт/(м~К)
20 0,169 0,163
30 0,166 0,162
40 0,163 0,161
50 0,161 0,16
60 0,159 0,158
Массовая удельная теплоемкость (с), Дж/ (кг-К)
20 2010 2155
30 2010 2177
40 2030 2198
50 2060 2220
60 2080 2242
Коэффициент температуропроводности является основной тепловой характеристикой и определяется экспериментально или рассчитывается, если известны коэффициент теплопроводности, теплоемкость и плотность материала. Этот коэффициент показывает скорость выравнивания температуры в различных точках температурного поля. Чем выше коэффициент температуропроводности, тем быстрее происходит нагревание или охлаждение материала. Коэффициент теплопроводности характеризует способность пищевых продуктов проводить тепло. Он зависит от давления, температуры и влажности продукта, а для дисперсных пищевых продуктов - от размера частиц, пористости и объемной массы. Интенсивность изменения температуры тела при его нагревании или охлаждении характеризуется теплоемкостью. Удельная теплоемкость зависит от химического состава, влажности, структуры продукта, вида связи воды в нем. С повышением температуры теплоемкость большинства пищевых продуктов увеличивается.
Обработка измерительной информации и управление ходом эксперимента осуществляется виртуальным прибором, разработанным в ЬаЬУ1е№ 7.0. В результате обработки опытных данных были полупены следующие уравнения (значения теплофизических характеристик определены при температуре от 293 до 353 К): Для рапсового масла: а - -0,0182-7+10,946; №=0,9815, А = - 0,0003-7+0,1736; №=0,9889, с= 1,9-7+1962; №=0,9304. Для подсолнечного масла: а = 0,008-7+8,508; №=0,9956, А = -0,0001-7+0,1656; №=0,973, с = 2,17-7+2111,6; №=0,9999, где № - коэффициент корреляции.
Теплофизические свойства подавляющего большинства пищевых продуктов обладают большой тепловой инерционностью, т.е. медленно реагируют на изменение температуры окружающей среды. Большая тепловая инерция при правильно организованном хранении продуктов обеспечивает в них низкую температуру длительный период, даже в теплое время года, и тем самым консервирует их. В то же время при благоприятных условиях для жизни микроорганизмов выделенная ими теплота может накапливаться в массе продукта и приводить к повышению температуры и самосогреванию (рис. 2-4).
12
И I К
» и
я о ч
н а 5
8
и 5
&Н
ю
у=-0:0182х+ 10.94-5 Я2 =0,9815
......в
*......••
•......•......
у = -С,008х - 8.508 Я2 = 0.9956
20 40 60
Температура ( Т), "С
80
Рапсовое масло
Подсолнечное масло
Линейная (Рапсовое масло)
Линейная
(Подсолнечное масло)
Рис. 2. Зависимость коэффициента температуропроводности образцов рапсового и подсолнечного масла от температуры
0.17
0,168
0,166
нм 0,164 §1 ' ££ 0,162
И
К #
0,158
« 0,156
•
\у __^_ = -0,0003х + 0Д 736 Я2 = 0,9889
"'Ч г~-0,0001х + 0,1656 Я2 = 0,973 > •
20 40 60
Температура ( Т ), °С
Рапосовое масло
Подсолнечное маелло
Линейная (Рапосовое масло)
Линейная (Подсолнечное маелло)
Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопроводности образцов рапсового и подсолнечного масла от температуры
о
з4
s *
< 4
и „ о °
8 м
¿3 u
S §
и
и ь
2300 2250 2200 2150 2100 2050 2000 1950
у = 2Д7х + 2111 n f л лллл ,6
R2 ~ 0,9999 ►
У"
0 .......... 1
. у 1,9х + 1962 Di = П 01П/1
• Рапсовое масло
• Подсолнечное масло
Линейная (Рапсовое масло)
20 40 60
Температура( Т), °С
80 Линейная (Подсолнечное масло)
Рис. 4. Зависимость удельной теплоемкости образцов рапсового и подсолнечного масла от температуры
Взаимосвязь теилофизических свойств и температуры имеет линейный характер. В результате проведенных исследований установлено, что с ростом температуры происходит уменьшение таких теплофизических характеристик, как теплопроводность и коэффициент температуропроводности. Удельная теплоемкость рапсового масла с увеличением температуры увеличивается. Используя полученные данные, можно определить критериальные зависимости для тепловых процессов, происходящих с использованием рапсового масла, определить гидродинамические характеристики, например, при производстве майонезной продукции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аникин, A.A. Анализ кинетических закономерностей холодного отжима масла из семян рапса [Текст] / A.A. Аникин, М.В. Копылов, A.B. Горбатова // Сб. матер. II Междунар. науч.-практ. конф. «Явления переноса в процессах и аппаратах химических и пищевых производств». - 2016.- С. 76-79.
2. Мифтахова, Л.Х. Моделирование некоторых теплофизических свойств смеси «этанол-триглицерид рапсового масла» в программном пакете VMGSIM [Текст] / Л.Х. Мифтахова, P.A. Усманов, Ф.М. Гумеров // Вестник Тверского государственного университета. Серия: Химия,- 2015.- № 4,- С. 91-101.
3. Остриков, А.Н. Анализ жирнокислотного состава рапсового масла [Текст] / А.Н. Остриков, A.B. Горбатова, A.A. Аникин, М.В. Копылов // Масложировая промышленность. - 2016. - No 6. - С. 18-21.
4. Остриков, А.Н. Технология производства пробиотических растительно-сливочных продуктов функционального назначения [Текст] / А.Н. Остриков, Л.И. Василенко, A.B. Горбатова / / Матер. Междунар. науч.-тех. конф. «Биотехнологические системы в производстве пищевого сырья и продуктов: инновационный потенциал и перспективы развития». - 2011. - С. 295-296.
5. Остриков, А.Н. Современные технологии молочно-жировых композиций [Текст] / А.Н. Остриков, Л.И. Василенко, A.B. Горбатова. - Saarbrucken, 2017. - 128
6. Остриков, А.Н. Исследование теплофизических свойств спреда функциональной направленности [Текст] / А.Н. Остриков, A.B. Горбатова // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2013. - № 2-3. - С. 101-103.
REFERENCES
1. Anikin A.A., Kopylov M.V., Gorbatova A.V. Analiz kineticheskikh zakonomer-nostey kholodnogo otzhima masla iz semyan rapsa [Analysis of the kinetic regularities of cold pressing of oil from rapeseed seeds] Sb. mater. II Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Yavleniya perenosa v protsessakh i apparatakh khimicheskikh i pishchevykh proizvodstv», 2016, pp. 76-79 (Russian).
2. Miftakhova L.Kh., Usmanov R.A., Gumerov F.M. Modelirovanie nekotoiykh tep-lofizicheskikh svoystv smesi «etanol-triglitserid rapsovogo masla» v programmnom pakete VMGSIM [Modeling of some thermophysical properties of the mixture "ethanol-triglyceride of rapeseed oil" in VMGSIM software package] Vestnik Tverskogo gosudar-stvennogo universiteta. Seriya: Khimiya, 2015, No 4, pp. 91-101 (Russian).
3. Ostrikov A.N., Gorbatova A.V., Anikin A.A., Kopylov M.V. Analiz zhirnokislotnogo sostava rapsovogo masla [Analysis of fatty acid composition of rape-seed oil] Maslozhirovaya promyshlennost', 2016, No 6, pp. 18-21 (Russian).
4. Ostrikov A.N., Vasilenko L.I., Gorbatova A.V. Tekhnologiya proizvodstva probio-ticheskikh rastitel'no-slivochnykh produktov funktsional'nogo naznacheniya [Technology of production of probiotic vegetable-cream products of functional purpose] Mater. Mezhdunar. nauch.-tekh. konf. «Biotekhnologicheskie sistemy v proizvodstve pishchevogo syr'ya i produktov: innovatsionnyy potentsial i perspektivy razvitiya», 2011, pp. 295-296 (Russian).
5. Ostrikov A.N., Vasilenko L.I., Gorbatova A.V. Sovremennye tekhnologii mo-lochno-zhirovykh kompozitsiy [Modern technologies of milk-fat compositions], Saarbrücken, 2017, 128 pp (German).
6. Ostrikov A.N., Gorbatova A.V. Issledovanie teplofizicheskikh svoystv spreda funktsional'noy napravlennosti [Research of thermophysical properties of a spread of a functional orientation] Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Pishchevaya tekhnologiya, 2013, No 2-3, pp. 101-103 (Russian).
