CC BY
14
УДК [633/635:536.63] : [664.8:664,6] DOI 10.24412/2311-6447-2022-1-121-128
Исследование удельной теплоемкости жидких и пастообразных растительных материалов
Investigation of the specific heat capacity of liquid and pasty
plant materials
Проректор по научной работе и инновациям Ю.А. Максименко, аспирант С.А. Свирина,
(Астраханский государственный технический университет) кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512) 61-44-69 E-mail: [email protected]
зав. кафедрой А.А. Бахарева, профессор Ю.Н. Грозеску (Астраханский государственный технический университет) кафедра аквакультуры и рыболовства, тел. (8512) 61-41-63 E-mail: [email protected]
Vice-Rector for Scientific Work and Innovation Yu.A. Maksimenko, Graduate Student S.A. Svirina,
(Astrakhan State Technical University) chair of Technological Machinery and Equipment, tel. (8512) 61-44-69 E-mail: [email protected]
Head of the Department A.A. Bakharev, Professor Yu.N. Grozescu (Astrakhan State Technical University) chair of Aquaculture and Fishing, tel. (8512) 61-41-63 E-mail: bahareva.any afajyandex.ru
Реферат. Представлены результаты комплексных экспериментально-аналитических исследований удельной теплоемкости жидких и пастообразных растительных материалов. В качестве объектов исследований рассмотрены плодоовощные продукты, пюре и соки из них и растительные экстракты. Представлена схема и общий вид экспериментальной установки для определения удельной теплоемкости и описана методика проведения исследований. Приведены графические зависимости удельной теплоемкости для исследования продуктов от их влажности. Установлены математические зависимости для расчета удельной теплоемкости исследуемых материалов от влияющих параметров.
Summary. The results of complex experimental and analytical studies of the specific heat capacity of liquid and pasty plant materials are presented. Fruit and vegetable products, purees and juices from them and plant extracts are considered as objects of research. The scheme and general view of the experimental setup for determining the specific heat capacity are presented and the research methodology is described. Graphical dependences of the specific heat capacity for the study of products on their humidity are given. Mathematical dependences for calculating the specific heat capacity of the studied materials on the influencing parameters are established.
Ключевые слова: пищевое растительное сырье, теплофизические и термодинамические характеристики, теплоемкость, калориметр.
Keywords: meat food vegetable raw materials, thermophysical and thermodynamic characteristics, heat capacity, calorimeter.
Пищевое растительное сырье используется как основной ингредиент, так и в качестве вкусоароматической добавки при производстве традиционных продуктов питания (хлебных и кондитерских изделий, соков, молочных продуктов, спирта, соусов, вина и др.). Для создания специализированных продуктов функционального питания - лечебно-профилактических и диетических продуктов, в том числе биологически активных добавок (БАД), перспективно применение не только плодоовощной продукции, но и лекарственных растений и экстрактов разнообразной функциональной направленности.
© Ю.А. Максименко, С.А. Свирина, А.А. Бахарева, Ю.Н. Грозеску, 2022
В настоящее время исследованию теплофизических и термодинамических характеристик илодоовопщых концентратов и других распылительных материалов уделяется значительное внимание [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7|. Свойства объектов переработки и обезвоживания необходимо учитывать при разработке современного оборудования [8, 9, 10] и моделировании процессов [4, 5, 11, 12]. Для определения теплоемкости исследуемый материал подвергают тепловом}' воздействию, в ходе которого он поглощает определенное количество теплоты. Метод адиабатического калориметра высокой точности неприемлем для пищевых продуктов [4, 5, 13, 14]. Для оценки удельной теплоемкости исследуемых материалов растительного происхождения использован оригинальный метод определения теплоемкости пастообразных пищевых материалов [13] (табл. 1, 2).
Метод основан на определении постоянной калориметра К за счет высокочувствительной измерительной схемы, учитывающей с высокой точностью потери вводимой тепловой энергии при изменении температуры (порядка 2 К) исследуемого образца.
Экспериментальная установка включает тепловую и измерительную части. Тепловая часть (рис. 1) представляет собой теплоизолированный сосуд-термостат. Измерительная часть (рис. 2) состоит из двух частей: 1 - схемы питания и измерения напряжения и тока в нагревателе и 2 - схемы измерения и регистрации термо-эдс измерительной дифференциальной термопары. Удельная теплоёмкость с, Дж/(кг-К) определяется по формуле
_ Я-К _ и-1-Ат-К Iп • At т • А/ т • А?
где ДЬ - изменение температуры образца, К; (^пол - полезное количество введённой в исследуемый образец тепловой энергии, Дж; - количество введённой в исследуемый образец тепловой энергии, Дж; т - масса образца, кг; и - напряжение на нагревателе образца, В; Аъ - отрезок времени, в течение которого пропускается ток через нагреватель, с; / - сила тока через нагреватель, А; К - постоянная калориметра, Дж.
5
Рис. 1. Тепловая часть калориметра: 1 - корпус; 2 - стакан для образца; 3 - нагреватель; 4 - крышка; 5 - дифференциальная терлюпара жедъ-константан
12 г 14 г 13
ФПОД = тс в КСП4
Ив
Рис. 2. Схема (а) и общий вид установки (б) для определения удельной теплоёмкости: 1 - образец; 2 - нагреватель; 3 - стакан; 4, 5 - спай дифференциальной термопары; 6 - термостат-термос; 7 - разъём; 8 - стабилизированный источник питания; 9 - выключатель; 10 - амперметр; 11 - вольтметр; 12 - фотокомпенсационный усилитель типа Ф116/2; 13 - магазин сопротивлений; 14 — самописец типа КСП-4; 15 - устройство смещения «нуля»
Результаты комплекса экспериментальных исследований по определению удельной теплоемкости жидких и пастообразных растительных материалов сш, Дж/ (кг-К), при И^н и температуре образцов Т= 313 К представлены в табл. 1. Относительная ошибка не превышала 4,93 %. Анализ данных предварительных экспериментов по определению теплоемкости пектиновых экстрактов, получаемых из различного сырья в требуемых диапазонах изменения Т и Ш в соответствии с табл. 2 показал, что теплоемкость пектиновых экстрактов при различных Т и Ш практически не зависит от вида сырья (в пределах погрешности эксперимента). В табл. 1 представлено усредненное значение теплоемкости для пектиновых экстрактов.
Таблица 1
Удельная теплоемкость исследуемых материалов
№ п/п Продукт И^н, кг/ кг СШа, Дж/ (КГ'К)
1 Пюре Морковь (сорт «Витаминная») 0,82 3652
2 с раз- Тыква (сорт «Волжская серая 92») 0,92 3893
3 мером Кабачок (сорт «Ролик») 0,93 3920
4 частиц 1 Томат (сорт «Астраханский») 0,94 3945
5 Яблоко (сорт «Антоновка») 0,88 3715
6 ЗОмкм Дыня (сорт «Колхозница») 0,90 3770
7 Пектиновые экстракты 0,90 3984
8 Водный экстракт алтея 0,90 3960
9 Водный экстракт имбиря 0,90 3985
10 Сок из моркови (сорт «Витаминная») 0,85 3920
11 Сок из тыквы (сорт «Волжская серая 92») 0,85 3880
12 Сок из яблок (сорт «Антоновка») 0,85 3876
13 Морковь 0,82 3506
14 Тыква 0,92 3859
15 Кабачок 0,93 3895
15 Яблоко 0,88 3688
Таблица 2
Диапазоны изменения влажности и температуры исследуемых продуктов
№ п/п Продукт Ш, кг/кг Т, К
1 Морковь (сорт «Витаминная») 0,05-0,82 293- -333
2 Тыква (сорт «Волжская серая 92») 0,05-0,92 293- -333
3 Кабачок (сорт «Ролик») 0,05-0,93 293- -333
4 Томат (сорт «Астраханский») 0,05-0,94 293- -333
5 Яблоко (сорт «Антоновка») 0,05-0,88 293- -333
6 Дыня (сорт «Колхозница») 0,05-0,9 293- -333
7 Пектиновые экстракты 0,05-0,9 293- -333
8 Водные экстракты алтея и имбиря 0,05-0,9 (0,98) 293- -333
9 Плодоовощные соки 0,05-0,85 293- -333
Используя полученные экспериментальные данные (табл. 1) и принимая во внимание закон аддитивности для теплоемкости, получены зависимости удельной теплоемкости исследуемых материалов в диапазоне реального изменения их влажности И/. Зависимость с( Щ, Дж/(кг-К):
с(Ж) =
{Р „ и/,, \
Чгн
■ с -Жн
в
(1 -Ж) + св-Ж
1 -Жн
где се = 4182 Дж/(кг-К) - теплоемкость воды при Т = 293К.
(1)
Таблица 3
Значения эмпирических коэффициентов зависимостей удельной теплоемкости от текущей влажности для исследуемых материалов
№ п/п Продукт Дж/ (кг-К) Вс, Дж / (кг-К)
1 Морковь (сорт «Витаминная») 2944,444 1237,556
2 Пюре с Тыква (сорт «Волжская серая 92») 3612,500 569,500
3 разме- Кабачок (сорт «Ролик») 3742,857 439,143
4 ром ч в - Томат (сорт «Астраханский») 3950,000 232,000
5 ЗОмкм Яблоко (сорт «Антоновка») 3891,667 290,333
6 Дыня (сорт «Колхозница») 4120,000 62,000
7 Пектиновые экстракты 1980,000 2202,000
8 Водный экстракт алтея 2220,000 1962,000
9 Водный экстракт имбиря 2212,000 1970,000
10 Сок из моркови (сорт «Витаминная») 1746,667 2435,333
И Сок из тыквы (сорт «Волжская серая 92») 2013,333 2168,667
12 Сок из яблок (сорт «Антоновка») 1980,000 2142,000
13 Морковь 3756,000 426,000
14 Тыква 4037,500 144,500
15 Кабачок 4100,000 82,000
16 Яблоко 4116,667 65,333
Подставив в (1) значения теплоемкости сшп (табл. 1) и после математических преобразований получим частные зависимости для исследуемых материалов:
с(Ж) = Ас - Ж + Вс
>
где Ас, Вс - эмпирические коэффициенты, Дж/(кг-К) (табл. 2).
С учетом закона аддитивности для теплоемкости коэффициент Вс соответствует теплоемкости абсолютно сухого растительного материала с\
Дополнительно, обобщая данные собственных экспериментов и литературных источников [4,5], получили эмпирические коэффициенты (табл. 3) зависимости с(Щ для некоторых плодоовощных продуктов. В качестве примера, на рис. 3 и 4 в графическом виде представлены зависимости теплоемкости исследуемых материалов от влажности в процессе сушки, полученные с использованием формулы (2).
С, Дж/{кг-К) 40003500300025002000150010005000 1ЛЛ иг/иг
Рис. 3. Зависимость теплоемкости материалов от влажности в процессе сушки: кабачок (сорт «Ролик»), пюре с размером частиц 1-30 мкм (1); морковь (сорт «Витаминная»), пюре с размером частиц 1-30 мкм. (2); водный экстракт, алтея. (3); пектиновые экстракты (4); сок из моркови (сорт «Витаминная») (5)
с, Дж/(кг. К) 3750 -
3000 -
2250 -
1500 -
750 -
0 -
О 0,2 0,4 0,6 0,8 \Л/, кг/кг
Рис. 4. Зависимость теплоемкости моркови (сорт <Витаминная») от. влажности в процессе сушки: нашивное состояние (1), пюре с размером частиц 1-30 мкм (2)
При увеличении влажности для всех растительных материалов характерно увеличение удельной теплоемкости с постепенным приближением значений, в области высокой влажности, к теплоемкости воды (рис.3). Из анализа данных литературных источников [1, 2, 4, 5] и результатов собственных экспериментальных исследований следует, что изменение температуры продуктов в диапазоне 293К-333 К не приводит к значительному изменению удельной теплоемкости растительных материалов. С повышением температуры в диапазоне 293-333 К удельная теплоемкость несущественно (до 1 %) увеличивается, что можно объяснить снижением энергии связи влаги с материалом при большей подвижности молекул воды.
Стоит отметить увеличение значений теплоемкости растительного материала при измельчении его капиллярно-пористой структуры (рис. 4 - на примере моркови), что объясняется снижением доли связанной влаги в материале, а следовательно, уменьшением общего влияния энергии связи влаги с материалом на теплоемкость.
Выполнены комплексные экспериментально-аналитические исследования теплоемкости жидких и пастообразных материалов растительной природы. Полученные уравнения 1 и 2 могут быть использованы в инженерной практике при моделировании и проектировании производственных процессов и аппаратов в технологиях переработки сырья растительного происхождения, для учета способности материалов при нагревании поглощать теплоту.
ЛИТЕРАТУРА
1. Максименко, Ю. А. Экспериментально-аналитическое исследование кинетики влагопоглощения сухими растительными материалами [Текст]/ Ю. А. Максименко, Р. С. Теличкин, Н, Э. Пшеничная / / Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. - 2017. - № 3(17). - С. 72-77.
2. Алексанян, И. Ю. Исследование влияния температуры на гигроскопические характеристики плодоовощных продуктов [Текст]/ И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, Ю. С. Феклунова / / Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. - 2017. - № 4(18). - С. 86-89.
3. Исследование физико-химических свойств рыбных фаршей, сухих растительных премиксов и их смесей [Текст]/ А. X. X. Нугманов, Ю. А. Максименко, А. И. Алексанян, О. А. Алексанян / / Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. - 2018. - № 2. - С. 135-148. - 001 10.24143/2073-5529-2018-2-135-148.
4. Максименко Ю.А. Развитие научно-практических основ и совершенствование процессов сушки растительного сырья в диспергированном состоянии [Текст]: Дис. ... докт. техн. наук. Астрахань, 2016. 502 с.
5. Нугманов А.Х.-Х. Теория и практика проектирования пищевых систем на основе феноменологического подхода [Текст]: Дис. ... докт. техн. наук. Краснодар, 2017.523 с.
6. Кинетика влагоудаления и определение продолжительности процесса сушки высоковлажных дисперсных материалов [Текст]/ А. В. Дранников, Е. В. Костина, А. М. Бородовицын [и др.] / / Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. - 2017. - № 2-3(356-357). - С. 78-82.
7. Особенности сушки порошковых пищевых продуктов в псевдоожиженном режиме [Текст]/ Г. В. Алексеев, О. А. Егорова, А. Г. Леу, А. А. Дерканосова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Пищевые и биотехнологии. - 2017. - Т. 5. - № 4. - С. 34-40. - 001 10.14529 Доос! 170405.
8. Распылительная сушилка [Текст]/ Ю. А. Максименко, А. А. Нсваленная, Н. П. Васина, Р. С. Теличкин // Естественные и технические науки. - 2018. - № 12(126). -С. 291-293.
9. Конвективно-радиационная распылительная сушилка [Текст]/ Ю. А. Максименко, А. А. Невалегшая, Н. П. Васина [и др.] / / Естественные и технические науки.
- 2019.-№ 2(128). - С. 157-159.
10. Максименко, Ю. А. Анализ эффективности работы распылительных сушилок при обезвоживании растительных материалов [Текст]/ Ю. А. Максименко, Э. Р. Теличкина, Р. С. Теличкин / / Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. - 2018. - № 3(23). - С. 55-62.
11. Изучение кинетических закономерностей и моделирование тепло- и массо-переноса в процессе сушки джекфрута [Текст]/ И. Ю. Алексанян, Ю. А. Максименко, А. X. X. Нугманов, Т. С. Нгуен / / Хранение и переработка сельхозсырья. - 2020.
- № 1. - С. 8-22. - 001 10.36107/зр1р.2020.212.
12. Реализация адаптированной математической модели сушки арбузного полуфабриката [Текст]/ В. А. Лебедев, И. Ю. Алексанян, А. X. X. Нугманов [и др.] // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. -2021. - № 2(48). - С. 31-39. - 001 10.17586/2310-1164-2021-14-2-31-39.
13. Нугманов, А.Х.-Х. Исследование теплоемкости пастообразных пищевых продуктов [Текст]/ А.Х.-Х. Нугманов, В.А. Краснов, Ю.А. Максименко, Е.В. Фоменко / / Естественные и технические науки. №6(84), 2015. Москва: Изд-во «Спутник+», 2015. С. 512 - 514.
14. Диспергирование арбузных корок, как вторичного сырья, в технологиях пектиносодержащих экстрактов и пленочных структур [Текст]/ Г. С. Мещерякова, А. X. X. Нугманов, И. Ю. Алексанян [и др.] / / Новые технологии. - 2021. - Т. 17. - № 5. - С. 31-42. - ОО! 10.47370/2072-0920-2021-17-5-31-42.
REFERENCES
1. Maksimenko, Yu. A. Eksperimental'no-analiticheskoe issledovanie kinetiki vlagopogloshcheniya sukhimi rastitel'nymi materialami [Experimental-analytical study of the kinetics of moisture absorption by dry plant materials], Yu. A. Maksimenko, R. S. Telichkin, N. E. Pshenichnaya, Tekhnologii pishchevoy i pererabatyvayushchey promyshlennosti APR - produkty zdorovogo pitaniya, 2017, No 3(17), pp. 72-77 (Russian).
2. Aleksanyan, I. Yu. Issledovanie vliyaniya temperatury na gigroskopicheskie kha-rakteristiki plodoovoshchnykh produktov [Investigation of the effect of temperature on hygroscopic characteristics of fruit and vegetable products], I. Yu. Aleksanyan, Yu. A. Maksimenko, Yu. S. Feklunova, Tekhnologii pishchevoy i pererabatyvayushchey promyshlennosti APK - produkty zdorovogo pitaniya, 2017, No 4(18). pp. 86-89 (Russian).
3. Issledovanie fiziko-khimicheskikh svoystv rybnykh farshey, sukhikh ras-titel'nykh premiksov i ikh smesey [Investigation of physical and chemical properties of minced fish, dry vegetable premixes and their mixtures], A. Kh. Kh. Nugmanov, Yu. A. Maksimenko, A. I. Aleksanyan, O. A. Aleksanyan, Vestnik Astrakhanskogo gosudar-stvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Rybnoe khozyaystvo, 2018, No 2, pp. 135-148, DOI 10.24143/2073-5529-2018-2-135-148 (Russian).
4. Maksimenko Yu.A. Razvitie nauchno-prakticheskikh osnov i sovershenstvovanie protsessov sushki rastitel'nogo syr'ya v dispergirovannom sostoyanii [Development of scientific and practical foundations and improvement of drying processes of vegetable raw materials in a dispersed state]: Dis. ... dokt. tekhn. nauk. Astrakhan', 2016. 502 pp. (Russian).
5. Nugmanov A.Kh.-Kh. Teoriya i praktika proektirovaniya pishchevvkh sistem na osnove fenomenologicheskogo podkhoda [Theory and practice of designing food systems based on a phenomenological approach]: Dis. ... dokt. tekhn. nauk. Krasnodar, 2017. 523 pp. (Russian).
6. Kinetika vlagoudaleniya i opredelenie prodolzhitel'nosti protsessa sushki vysokovlazhnykh dispersnykh materialov [Kinetics of moisture removal and determination of the duration of the drying process of high-moisture dispersed materials], A. V. Drannikov, E. V. Kostina, A. M. Borodovitsyn [i dr.], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Pishchevaya tekhnologiya, 2017, No 2-3(356-357) pp. 78-82 (Russian).
7. Osobennosti sushki poroshkovykh pishchevykh produktov v psevdoozhizhen-nom rezhime [Features of drying of powdered food products in iluidized mode], G. V. Ale-kseev, O. A. Egorova, A. G. Leu, A. A. Derkanosova, Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudar-stvennogo universiteta. Seriya: Pishchevye i biotekhnologii, 2017, T. 5, № 4, pp. 34-40, DOI 10.14529/foodl70405. (Russian).
8. Raspy litel'nay a sushilka [Spray drier], Yu. A. Maksimenko, A. A. Nevalennaya, N. P. Vasina, R. S. Telichkin, Estestvennye i tekhnicheskie nauki, 2018, No 12(126), pp. 291-293 (Russian).
9 Konvektivno-radiatsionnaya raspylitel'naya sushilka / Yu. A. Maksimenko, A. A. Nevalennaya, N. P. Vasina [i dr.], Estestvennye i tekhnicheskie nauki, 2019, No 2(128), pp.. 157-159 (Russian).
10. Maksimenko, Yu. A. Analiz effektivnosti raboty raspy litel'nykh sushilok pri obezvozhivanii rastitel'nykh materialov [Analysis of the efficiency of spray dryers during dehydration of plant materials], Yu. A. Maksimenko, E. R. Telichkina, R. S. Telichkin, Tekhnologii pishchevoy i pererabatyvayushchey promyshlennosti APK - produkty zdorovogo pitaniya, 2018, No 3(23), pp. 55-62 (Russian).
11. Izuchenie kineticheskikh zakonomernostey i modelirovanie teplo- i mas-soperenosa v protsesse sushki dzhekfruta [Study of kinetic laws and modeling of heat and mass transfer during jackfruit drying], I. Yu. Aleksanyan, Yu. A. Maksimenko, A. Kh. Kh. Nugmanov, T. S. Nguen, Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya, 2020, No 1, pp. 8-22, DOI 10.36107/spfp.2020.212. (Russian).
12. Realizatsiya adaptirovannoy matematicheskoy modeli sushki arbuznogo polufabrikata [Implementation of the mathematical model for drying watermelon semifinished product], V. A. Lebedev, I. Yu. Aleksanyan, A. Kh. Kh. Nugmanov [i dr.], Nauchnyy zhurnal NIU ITMO. Seriya: Protsessy i apparaty pishchevykh proizvodstv, 2021, No 2(48), pp. 31-39, DOI 10.17586/2310-1164-2021-14-2-31-39. (Russian).
13. Nugmanov, A.Kh.-Kh. Issledovanie teploemkosti pastoobraznykh pishchevykh produktov [Investigation of the heat capacity of pasty foods], A.Kh.-Kh. Nugmanov, V.A. Krasnov, Yu.A. Maksimenko, E.V. Fomenko, Estestvennye i tekhnicheskie nauki. No 6 (84), 2015. Moskva: Izd-vo «Sputnik+», 2015. pp. 512 - 514 (Russian).
14. Dispergirovanie arbuznykh korok, как vtorichnogo syr'ya, v tekhnologiyakh pektinosoderzhashchikh ekstraktov i plenochnykh struktur [Dispersion of watermelon rinds as secondary raw materials in technologies of pectin-containing extracts and film structures], G. S. Meshcheiyakova, A. Kh. Kh. Nugmanov, I. Yu. Aleksanyan [i dr.], No-vye tekhnologii, 2021, T. 17, No 5, pp. 31-42, DOI 10.47370/2072-0920-2021-17-5-3142 (Russian).
