CC BY
31
УДК 66-911.4
Э. П. Дяченко, И. Ю. Алексанян, Н. П. Васина, О. А. Лебедев
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВСПЕНЕННЫХ РАСТВОРОВ СУЛЬФОНОЛА
Введение
Для повышения эффективности процесса сушки сульфонола во вспененном состоянии необходимо комплексное изучение тепломассообмена путем теоретических и экспериментальных исследований всех компонентов процесса сушки: совокупности физико-химических свойств, статики и кинетики процесса сушки, моделирования тепломассопереноса при сушке сульфонола.
Экспериментальное изучение теплофизических характеристик (ТФХ) вспененного суль-фонола необходимо для научного анализа процесса пеносушки, разработки физикоматематической модели тепломассопереноса и расчета температурных полей в слое высушиваемого продукта [1], а также для выполнения тепловых расчетов при проектировании сушильных установок.
На основе анализа исследований теплофизических процессов в дисперсных средах [2, 3] установлено, что тепловые характеристики жидких продуктов определяются химической природой составляющих компонентов, структурой материала, его влагосодержанием, формой связи влаги с материалом, плотностью, температурой и т. д. Основными ТФХ являются коэффициенты удельной массовой теплоемкости с, теплопроводности X и температуропроводности а.
На коэффициент удельной массовой теплоемкости с влияют такие факторы, как влажность материала, вид и энергия связи влаги с материалом.
Коэффициент теплопроводности X, зависящий от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов, является теплофизическим параметром, характеризующим способность тела проводить тепло путем теплопроводности.
Теплоинерционные свойства материала определяются коэффициентом температуропроводности а: чем выше а, тем интенсивнее происходит нагревание или охлаждение материала при прочих равных условиях. Таким образом, учет температуропроводности необходим при исследовании и расчете процесса обезвоживания. Основываясь на литературных данных, можно сказать, что по физическому смыслу коэффициент температуропроводности а является коэффициентом диффузии тепла [4].
Метод комплексного определения ТФХ вязких, жидких, пастообразных и мелкодисперсных продуктов, предложенный В. В. Красниковым, А. С. Паниным, В. Д. Скверчаком [5], основывается на использовании тепловой инерции термопары с фиксированной температурой (Т0 = 273 К) при её мгновенном контакте с исследуемым материалом.
Основным достоинством метода комплексного определения ТФХ является возможность исследования продукта как в статических, так и в динамических условиях его обработки без отбора проб и нарушения структуры материала, что особенно важно при изучении пеноструктур.
Для оценки влияния отдельных ТФХ на характер и продолжительность обезвоживания были изучены экспериментально определенные экспресс-методом зависимости коэффициента температуропроводности а, удельной теплоемкости с и теплопроводности X от температуры и концентрации жидких и вспененных растворов сульфонола.
Проведена серия экспериментов по изучению ТФХ растворов сульфонола различных концентраций и их пен на модернизированной экспериментальной установке (рис. 1).
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для изучения ТФХ веществ комплексным методом:
1 - потенциометр типа КСП-4; 2 - мультиметр; 3 - нагревательный элемент; 4 - термопара (регистрация температуры продукта); 5 - металлическая емкость с продуктом;
6 - термопара (регистрация тепловой инерции); 7 - продукт; 8 - сосуд Дюара
Для осуществления экспериментальных исследований данным методом была использована хромель-копелевая термопара ХК(Ь) ТП-011 6 (номинальные статические характеристики по ГОСТ Р 8.585-2001) с радиусом Я = 0,00065 м, которая подключалась к самопишущему потенциометру типа КСП-4 ГОСТ 7164-78 1, допускаемая основная погрешность прибора - не более
0,5 %. Термодатчик устанавливался в сосуд Дюара 5 до достижения значения температуры Т = 273 К, затем мгновенно погружался в продукт заданной температуры, одновременно потенциометром велась запись динамики прогрева термодатчика (термограммы тепловой инерции термопары).
Для построения математических моделей процесса сушки необходимо исследование ТФХ пенослоя при обезвоживании в диапазоне температур — 293-371 К и концентрации 0,5-0,03 кг/кг процесса сушки. Это осуществимо путем отбора образца пены штранга в процессе обезвоживания при определенной концентрации.
В результате поисковых экспериментальных исследований установлено, что отбор пены штранга с концентрацией сухих веществ С < 0,8 кг/кг приводит к оседанию пенослоя, а следовательно, к изменению его ТФХ. При отборе пробы концентрацией 0,97 > С > 0,8 кг/кг этого эффекта не наблюдается ввиду образования твердого сухого скелета продукта.
Для определения ТФХ вспененного раствора сульфонола в процессе сушки исследовался продукт с концентрацией сухих веществ С = 0,97, 0,9 и 0,8 кг/кг, значения которой выбраны на основе анализа изотерм сорбции сульфонола и обусловлены изменением вида и энергии связи влаги с материалом (преимущественное удаление влаги определенного вида).
Проведено шестнадцать экспериментов при трех повторностях по определению ТФХ вспененного раствора сульфонола в процессе сушки. Исследования выполнены для диапазона концентрации сухих веществ С = 0,5-0,97 кг/кг и температуры продукта Т = 293-371 К, для чего вспененный мешалкой до максимальной кратности раствор сульфонола наносили на подложку в виде штранга и сушили до требуемой влажности ^г, кг/кг, при инфракрасном энергоподводе на экспериментальной сушильной установке при режимных параметрах обезвоживания, затем извлекали из сушилки и исследовали комплексным методом. Влажность продукта определялась посредством весов ВЛК-500.
В результате экспериментальных исследований получены значения коэффициентов объемной с^рРпр, Дж/(м3 • К) и удельной массовой теплоемкости спр, Дж/(кг • К), температуропроводности апр, м /с, и теплопроводности Хпр, Вт/(м • К) вспененного раствора сульфонола для диапазонов С и Т в процессе сушки. Относительная ошибка при определении спррпр не превышала 7,41 %.
Для практического использования в численных расчетах температурных полей в процессе сушки, путем математической обработки экспериментальных данных были получены аппроксимирующие уравнения функций спр = Л(С, Т), апр = Л(С, Т) и Хпр = Л(С, Т), в реальных интервалах изменения Т и С в процессе сушки погрешность аппроксимации не превышала Я2 = 0,999:
сп (С, Т) = (-1,653 10-3 • Т3 +1,615 • Т2 - 508,868 • Т + 5,022 104) • (1 - С)3 +
+ (9,241 • 10-4 • Т3 - 0,866 • Т2 + 263,815 • 10-6 • Т - 2,395 • 104) • (1 - С)2 +
+ (-5,348 • 10-4 • Т3 + 0,527 • Т2 -170,787 • Т +1,802 • 104) • (1 - С) +
+ 2,452 • 10-5 • Т3 - 0,023 • Т2 + 7,391- Т + 337,729; (1)
ап (С, Т) = (-2,846 • 10-11 • Т3 + 2,883 • 10-8 • Т2 - 9,604 • 10-6 • Т +1,054 • 10-3) • (1 - С)3 +
+ (2,080 •Ю-11 • Т3 - 2,089 •Ю-8 • Т2 + 6,951 • 10-6 • Т - 7,589 10-4) • (1 - С)2 +
+ (-3,021 • 10-12 • Т3 + 3,031 • 10-9 • Т2 - 9,928 • 10-7 • Т +1,069 • 10-4) • (1 - С) +
+ 7,030•Ю-15 • Т3 - 9,453 •Ю-12 • Т2 + 5,31Ь10-9 • Т - 4,13Ь10-7; (2)
1п (С, Т) = (-2,718 • 10-6 • Т3 + 2,777 • 10-3 • Т2 - 0,925 • Т +102,104) • (1 - С)3 +
+ (2,154 • 10-6 • Т3 - 2,179 • 10-3 • Т2 + 0,721 • Т - 78,892) • (1 - С)2 +
+ (-3,464 • 10-7 • Т3 + 3,480 • 10-4 • Т2 - 0,114 • Т +12,303) • (1 - С) +
+ 2,447 • 10-9 • Т3 - 2,620 • 10-6 • Т2 +1,065 • 10-3 • Т - 0,099. (3)
На рис. 2-4 показаны поля значений коэффициентов удельной массовой теплоемкости,
температуропроводности и теплопроводности пенослоя для диапазона изменения температуры и концентрации Т = 293-371 К, С = 0,5-0,97 кг/кг в процессе обезвоживания.
ст. Дж/(кг • К)
Рис. 2. Поле значений удельной массовой теплоемкости спр пенослоя для диапазонов температуры и концентрации Т = 293-371 К, С = 0,5-0,97 кг/кг
Рис. 3. Поле значений коэффициента температуропроводности апр пенослоя для диапазонов температуры и концентрации Т = 293-371 К, С = 0,5-0,97 кг/кг
Рис. 4. Поле значений коэффициента теплопроводности Хпр пенослоя для диапазонов температуры и концентрации T = 293-371 К, С = 0,5-0,97 кг/кг
Заключение
Анализ экспериментальных данных по изучению ТФХ в процессе сушки показал, что изменение кривых зависимости ТФХ от концентрации меняется из-за взаимообратного влияния двух факторов: кратности пенослоя и концентрации сухих веществ. При этом наблюдается резкий рост кратности пены до С = 0,66 кг/кг и в дальнейшем плавный асимптотический рост кратности пены до завершения процесса обезвоживания, что и обусловливает характер изменения ТФХ при сушке.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований ТФХ растворов сульфоно-ла во вспененном состоянии получены и проанализированы данные по изменению ТФХ (массовой теплоемкости сп, коэффициентов температуропроводности ап и теплопроводности Хп) растворов объекта исследования в зависимости от концентрации сухих веществ С и температуры Т продукта. В результате была разработана физико-математическая модель и получены аппроксимирующие зависимости спр = fiO, T), апр = fiO, T) и Хпр = fiO, T) для оперативного использования в инженерных расчетах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лыков А. В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 471 с.
2. Сажин Б. С. Основы техники сушки. - М.: Химия, 1984. - 320 с.
3. Чубик И. А., Маслов А. М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. - М.: Промышленность, 1970. - 184 с.
4. Муштаев В. И., Ульянов В. М. Сушка дисперсных материалов. - М.: Химия, 1988. - 352 с.
5. Седов Л. И. Методы подобия и размерностей в механике. - М.: Наука, 1965. - 386 с.
Статья поступила в редакцию 16.03.2010
INVESTIGATION OF THERMAL CHARACTERISTICS OF FOAMED SULFONOL SOLUTION
E. P. Dyachenko, I. Yu. Aleksanyan, N. P. Vasina, O. A. Lebedev
The experimental and analytical researches of thermal characteristics of the foamed sulfonol solutions at various concentrations of solids in a product have been made. To analyze and estimate thermal characteristics the approximation of empirical data has been realized and the fields of values of mass thermal capacity, factors of heat conductivity and thermal diffusivity depending on the concentration of solids and product temperature have been received. The analysis of experimental data revealed the mode of thermal characteristics change according to the influencing factors.
Key words: synthetic surface-active substances, thermal characteristics of foams, thermal process.
