CC BY
8УДК 631.369.258/638.178
К ВОПРОСУ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕРГОВЫХ СОТОВ
БЫШОВ Дмитрий Николаевич, канд. техн. наук, доцент каф. эксплуатации машинно-тракторного парка, [email protected]
КАШИРИН Дмитрий Евгеньевич, д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой электроснабжения, [email protected]
МОРОЗОВ Сергей Сергеевич, соискатель, [email protected]
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, ЦЫМБАЛ Александр Андреевич, д-р с.-х. наук, профессор кафедры теплотехники, гидравлики и энергообеспечения предприятий, Российский государственный аграрный университет имени К.А. Тимирязева, [email protected]
ЧУХЛАНОВ Владимир Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, Владимирский государственный университет имени А. Г. и Н. Г. Столетовых, [email protected]
В данной статье представлены результаты исследования зависимости теплофизических свойств пчелиных сотов от относительной влажности содержащейся в них перги. Данные исследования необходимо учитывать при проектировании и обосновании конструктивно-технологических параметров оборудования для сушки перговых сотов, являющейся одним из этапов технологии извлечения перги. Для проведения исследования формировали три навески: перговые соты нативной влажности; перговые соты, высушенные конвективным способом на протяжении 48 часов; восковая основа, освобожденная от перги. Исследование теплофизических свойств перговых сотов производили в измерителе теплопроводности ИТП-МГ4 «100». Методика проведения исследования и общий вид установки во время проведения исследования теплофизических свойств перговых сотов описаны в статье. По результатам исследования были построены графические зависимости теплопроводности Л и теплового сопротивления Я Полученные результаты эксперимента показывают, что восковая основа является эффективным теплоизолятором из-за большой объемной доли сухого воздуха, обладая значением теплового сопротивления, равным 0,366 м2 град/Вт. На основании полученных данных можно сделать вывод, что перга обладает высокой теплопроводностью, зависящей от ее влажности, поэтому при заполнении свободных ячеек сота пергой нативной влажности значение теплопроводности возрастает до 0,103 Вт/мград. С уменьшением влажности перги значение теплопроводности уменьшается до 0,082 Вт/м град, а тепловое сопротивление R увеличивается от 0,252 м2 град/Вт до 0,317 м2 град/Вт. Это связанно с уменьшением влаги в местах соприкосновения частиц перги и увеличением объемной доли сухого воздуха.
Ключевые слова: пчелиные соты, восковое сырье, перга, конвективная сушка, теплофизические свойства.
Введение дрожжей и бактерий [3, 8].
Одним из наиболее ценных продуктов пче- Для сохранения полезных свойств перговых ловодства являются перговые гранулы [1, 3, 7]. гранул необходимо производить их извлечение. Насыщенные биологически-активными компо- Существует большое количество различных тех-нентами, они представляет собой уникальный нологий извлечения перговых гранул, однако од-природный лекарственный препарат, применяе- ной из наиболее затратных операций при их ис-мый для профилактики и лечения целого ряда за- пользовании является сушка перговых гранул [1, болеваний [2, 5]. В настоящее время наблюдается 2, 4].
дефицит заготовки перговых гранул. Это связанно Вопросами модернизации технологии сушки с отсутствием высокопроизводительных способов перговых гранул занимались многие ученые. В механизированного извлечения перговых гранул и связи с этим существует большое количество раз-постоянно растущим спросом на них в связи с ро- нообразных установок для сушки перговых гранул, стом осведомленности о преимуществах данного однако наиболее распространенным способом продукта [4, 9]. является сушка горячим воздухом [3, 6, 8]. Такое
Перговые гранулы представляют собой обнож- положение связано с простотой конструкции дан-ку, обработанную секретом слюнных желез, сме- ных установок. Тем не менее, продолжительность шанную с медом и утрамбованную в ячейки сотов. конвективной сушки достигает 40-45 часов при до-Запечатанная снаружи воском, на протяжении 15 статочно высокой энергоемкости процесса [2, 10]. дней обножка подвергается процессу фермента- Для интенсификации процесса сушки при-ции под действием молочной кислоты [1, 7]. По меняют вакуумную инфракрасную сушку. Пре-окончании процесса ферментации свежеизготов- имуществами данного способа являются высокая ленные перговые гранулы имеют высокую влаж- интенсивность процесса сушки за счет снижения ность (25-35%), зависящую от количества нектара, температуры кипения воды. В связи с малой про-меда, секрета слюнных желез, влажности воздуха должительностью процесса сушки (около 2 часов), и т.д. Из-за высокой влажности перговые гранулы энергоемкость вакуумных инфракрасных уста-являются хорошей средой для развития плесени, новок значительно ниже их аналогов. Впрочем,
© Бышов Д. Н., Каширин Д. Е., Морозов С. С., Цымбал А. А., Чухланов В. Ю., 2019 г.
к недостаткам данных установок можно отнести применение специального оборудования при их изготовлении [1, 2, 11].
Независимо от способа сушки перговых гранул, при проектировании и обосновании конструктивно-технологических параметров сушильных установок необходимо знать точные теплофизические характеристики продукта [3, 6]. К основным тепло-физическим характеристикам относятся теплопроводность, тепловое сопротивление, коэффициент температуропроводности и др.
Теплопроводность продукта характеризует теплоизоляционные свойства и зависит от многих факторов: структуры, влагосодержания и др. Коэффициент температуропроводности характеризует скорость нагревания и охлаждения продукта, а тепловое сопротивление - способность препятствовать распространению тепла внутри продукта.
Исследованием теплофизических свойств пчелиных сотов занимались многие ученые [2, 7, 9]. Так, для определения теплофизических свойств восковой основы и перговых гранул С.В. Винокуров, В.Ф. Некрашевич и др. использовали метод плоского зонда, предложенный А.Ф. Чудновским. В.И. Лебедев, А.И. Касьянов и Е.П. Лапынина для исследования теплофизических свойств перговых сотов разработали и изготовили специальную установку, представляющую собой обечайку, внутри которой размещены электрические нагреватели и набор дифференциальных термопар для
измерения величины ЭДС и разности температур внутри установки и вне ее.
Однако используемые методы определения теплофизических свойств перговых сотов имеют ряд недостатков, одним из которых является высокая погрешность измерений в связи с использованием несертифицированного оборудования.
Цель исследования В связи с вышесказанным целью исследования является определение теплофизических свойств перговых сотов в зависимости от относительной влажности содержащихся в них перговых гранул.
Материалы и методы исследования Для обеспечения высокой точности получаемых результатов нами было проведено исследование с использованием измерителя теплопроводности ИТП-МГ4 «100» производства ООО «СКБ Стройприбор».
Прибор состоит из двух частей: электронного блока и блока нагревателя-преобразователя. Нагреватель-преобразователь (рис. 1), выполненный в виде стационарной установки, включает в себя нагреватель 2 и холодильник 3, на поверхности которых размещены платиновые датчики температуры. На боковой стенке прибора расположен выключатель питания 4. В верхней части прибора находится прижимное устройство 1, снабженное отсчетным устройством для измерения толщины образца.
1 - прижимное устройство; 2 - нагреватель; 3 - холодильник; 4 - выключатель питания Рис. 1 - Схема нагревателя-преобразователя для измерения теплопроводности ИТП-МГ4 «100»
Для проведения исследования формировали три навески размером 100*100 мм:
Исследование проводили в три этапа. На первом этапе определяли теплофизические свойства извлеченного из улья сота, заполненного свежей пергой нативной влажности. На втором этапе определяли теплофизические свойства сота, заполненного пергой, после конвективной сушки горячим воздухом на протяжении 48 часов. Третий этап исследования был направлен на изучение свойств восковой основы, освобожденной от перговых гранул.
В общем случае порядок проведения опыта был следующим: перед проведением исследования установка была откалибрована по эталону, после чего исследуемый образец помещали в установку и фиксировали его прижимным устройством. Затем включали электропитание прибора и выбирали режим измерения, задавая толщину материала. По окончании измерения, записывали показания прибора.
Общий вид установки для определения теплофизических свойств сотов показан на рисунке 2.
1 - электронный блок; 2 - испытательная камера; 3 -исследуемый материал Рис.2 - Общий вид установки во время проведения исследования
Вычисления теплопроводности Л и теплового сопротивления Р производились по формулам:
(1)
(2)
где Л - эффективная теплопроводность, Вт/мК; Н - толщина исследуемого образца, мм; q - плотность теплового потока, проходящего через исследуемый образец, Вт/м2;
Rн - тепловое сопротивление измеряемого
образца, м2К/Вт;
Rк - тепловое сопротивление между лицевой гранью образца и рабочей поверхностью плиты прибора, учитывающееся при калибровке прибора, м2К/Вт;
Тн - температура нагревателя, К;
Тх - температура холодильника, К. По окончании измерений исследуемые образцы взвешивали и определяли влажность в соответствии с методом, соответствующим требованиям ГОСТ 31776-2012.
Результаты и их анализ Статистические данные, полученные в ходе определения теплофизических свойств, приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Теплофизические свойства перговых сотов
Образец Влажность, % Теплопроводность Л, Вт/м- град Тепловое сопротивлением R, м2град/Вт
повторности W ср повторности Л ср повторности R ср
Л 1 Л 2 Л 3
Перговый сот нативной влажности 23,4 23,3 23,8 23,5 0,101 0,108 0,1 0,103 0,256 0,241 0,26 0,252
Перговый сот после сушки 12,7 13,1 11,7 12,5 0,083 0,083 0,081 0,082 0,315 0,315 0,321 0,317
Восковая основа 1,8 1,3 2,1 1,73 0,072 0,071 0,07 0,071 0,362 0,366 0,37 0,366
По результатам исследования были построены графические зависимости теплопроводности Л и теплового сопротивления R (рисунки 3,4).
Рис. 3 - Графическая зависимость теплопроводности Л
Рис. 4 - Графическая зависимость теплового сопротивления R
По своей сути пчелиный сот представляет собой воздушную прослойку, разделенную восковыми ячейками и ограниченную деревянной основой [7]. Свободный объем ячеек на 95% заполнен сухим воздухом, который является прекрасным теплоизолятором, тепловое сопротивление которого составляет 1 м2град/Вт. Из полученных данных видно, что тепловое сопротивление восковой основы имеет значение 0,3б6 м2град/Вт, а теплопроводность восковой основы - 0,071 Вт/мград. Таким образом, восковая основа близка по своих теплофизическим характеристикам к таким эффективным теплоизоляторам, как минеральная вата плотностью 200 кг/м3 (0,07 Вт/мград), хлопковая вата (0,064 Вт/мград) и пеностекло плотностью 200 кг/м3 (0,07 Вт/мград).
Анализируя зависимости, представленные на рисунках 3 и 4, можно отметить, что перговые гранулы обладают высокой теплопроводностью. При заполнении восковой основы перговыми гранулами значение теплового сопротивления восковой основы уменьшается, а теплопроводность увеличивается с увеличением влажности перговых гранул. Значение теплопроводности пчелиных сотов, заполненных перговыми гранулами нативной влажности, возрастает до 0,103 Вт/м град. С уменьшением влажности перговых гранул до 12,5% значение теплопроводности уменьшает до 0,082 Вт/мград, а тепловое сопротивление R увеличивается с 0,252 м2 град/Вт до 0,317 м2град/Вт. Такое поведение теплофизиче-ских коэффициентов характерно для многих гранулированных материалов растительного происхождения. Это происходит из-за уменьшения количества влаги на поверхности контакта перго-вых гранул.
Выводы
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что наибольшим тепловым сопротивлением, величина которого составляет 0,366 м2град/Вт, обладает восковая основа сота, полностью освобожденная от перговых гранул. Таким образом, восковая основа является эффективным теплоизолятором, что связано с большим объемом сухого воздуха в восковой основе. В свою очередь перга обладает высокой теплопроводностью, зависящей от ее влажности, поэтому при заполнении свободных ячеек сота пергой нативной влажности значение теплопроводности возрастает до 0,103 Вт/мград. С уменьшением влажности перги значение теплопроводности уменьшается до 0,082 Вт/мград, а тепловое сопротивление R увеличивается с 0,252 м2трад/Втдо 0,317 м2град/Вт. Полученные данные могут быть использованы при проектировании и обосновании конструктивно-технологические параметров оборудования для сушки перговых сотов.
Список литературы
1.Бышов, Д.Н. Исследование изменения температуры перги в процессе вакуумной инфракрасной сушки [Текст] / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин. С.С. Морозов, В.П. Воронов // Вестник Рязанского госу-
дарственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - Рязань, 2018. - № 2 (38).
- С. 69-72.
2.Бышов, Д.Н. К вопросу экспериментального исследования инфракрасной вакуумной сушки перги в соте [Текст] / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, С.С. Морозов // Методы механики в решении инженерных задач: материалы I Всероссийской научно-практической конференции. - Лесниково,
2017. - С. 102-104.
3.Бышов, Д.Н. К вопросу энергосберегающей сушки перги / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, С.Н. Го-белев и др. // В сборнике: Современные энерго- и ресурсосберегающие экологические устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства. Сборник научных трудов. - Рязань, 2016. - С. 160-162.
4. Бышов, Д.Н. Получение перги промышленным способом [Текст] / Д.Н. Бышов, Д.Е. Каширин, П.А. Рябченко, А.А. Петухов // В сборнике: Forest Engineering материалы научно-практической конференции с международным участием. - Якутск,
2018. - С. 36-38.
5.Каширин, Д.Е. Исследование процесса вакуумной инфракрасной сушки перги [Текст] / Д.Е Каширин, С.С. Морозов, Б.А. Нефедов, С.Д. По-лищук // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - Мичуринск, 2017. - № 3. - С.168-173.
6.Каширин, Д.Е. Энергосберегающий процесс получения перги [Текст] / Д.Е. Каширин, Д.Н. Бышов, С.Н. Гобелев и др. // Сельский механизатор.
- Москва, 2018. - № 2. - С. 32-33.
7. Лебедев, В.И. Теплозащитные свойства пчелиных сотов / В.И. Лебедев, А.И. Касьянов, Е.П. Лапынина - Рыбное: Изд-во ФГБНУ «НИИ пчеловодства», 2016 - 22 с.
8.Морозов, С.С. К вопросу определения производительности установки для вакуумной инфракрасной сушки перги [Текст] / С.С. Морозов, Д.Е. Каширин // В сборнике: Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК Сборник материалов Международной научно-практической конференции. Под общей редакцией В.А. Солопова.
- Мичуринск, 2018. - С. 71-73.
9.Морозов, С.С. Установка для вакуумной инфракрасной сушки перги [Текст] / С.С. Морозов // Современный агропромышленный комплекс глазами молодых ученых: материалы научно-образовательной школы аспирантов Ассоциации аграрных вузов Центрального Федерального округа России. - Орел, 2017. - С. 118-121.
10. Патент на изобретение № 2391610 РФ, F26B9/06. Установка для сушки перги / Д.Е. Каширин (РФ). - №2009109542/06; Заявлено 16.03.2009; Опубликовано 10.06.2010. Бюл. № 16. 11.Патент на изобретение № 2660575 РФ, F26B 9/066; F26B 5/04; F26B 25/00. Установка для сушки перги /Каширин Д.Е., Гобелев С.Н., Бышов Д.Н., Морозов С.С. (РФ). - № 2016136571; Заявлено 12.09.2016; Опубликовано 06.07.2018. Бюл. № 19.
TO THE QUESTION OF THE RESEARCH OF THERMOPHYSICAL PROPERTIES
OF THE HONEYCOMBS
Byshоv Dmitriy N., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, [email protected]
Kashirin Dmitriy Ye., Doctor technical sciences, Associate Professor, [email protected]
Morozov Sergei S., applicant, [email protected]
Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev
Tsymbal Aleksandr A., Doctor of Agricultural Sciences, Professor,the Head of the Department of Heat Engineering of Hydraulics and Power Supply of Enterprises, Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, [email protected]
^ukhlanov Vladimir Yu., Doctor technical sciences, Professor, Vladimir State University Named after Alexander And Nikolay Stoletovs, [email protected]
This article presents the results of a research of the dependence of the thermophysical properties of honeycombs on the relative humidity of the bee bread contained in them. These research need to be taken into account both in the design and justification of the structural and technological parameters of the equipment for drying the combs, which is one of the stages of the technology for extracting bee bread. For the research, three weights were formed: honeycombs of native humidity; honeycombs, dried in a convective way for 48 hours and wax base, freed from bee-bread. Measurement of thermophysical properties of honeycombs was carried out in an ITP-MG4 "100" thermal conductivity meter. The methodology of the study and the general view of the installation during the study of the thermophysical properties are described in the article. According to the results of the study, graphical dependences of thermal conductivity Л and thermal resistance R were constructed. The results of the experiment show that the wax base is an effective heat insulator as a result of a large volume fraction of dry air, having thermal resistance of 0,366 m2deg/W. On the basis of the data obtained, it can be concluded that bee bread has a high thermal conductivity, depending on its humidity, therefore, when filling free cells of the native humidity cell with bee bread of native humidity, the thermal conductivity increases to 0.103 W/mdeg. With a decrease in the moisture content of bee bread, the value of the thermal conductivity decreases to 0.082 W/m deg and the thermal resistance R increases from 0.252 m2 deg/W to 0.317 m2 deg/W. This is due to a decrease in moisture at the points of contact between the particles of bee bread and an increase in the volume fraction of dry air.
Key words: honeycombs, wax raw materials, bee bread, convective drying, thermal properties.
Literatura
1.Byshov, D.N. Issledovanie izmeneniya temperatury pergi v processe vakuumnoj infrakrasnoj sushki [Tekst] / D.N. Byshov, D.E. Kashirin. S.S. Morozov, V.P. Voronov //Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo agrotekhnologicheskogo universiteta im. P.A. Kostycheva. - Ryazan', 2018. - № 2 (38). - S. 69-72.
2.Byshov, D.N. K voprosu ehksperimental'nogo issledovaniya infrakrasnoj vakuumnoj sushki pergi v sote [Tekst]/D.N. Byshov, D.E. Kashirin, S.S. Morozov//Metody mekhaniki v reshenii inzhenernyh zadach: materialy I Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. - Lesnikovo, 2017. - S. 102-104.
3.Byshov, D.N. K voprosu ehnergosberegayushchej sushki pergi / D.N. Byshov, D.E. Kashirin, S.N. Gobelev i dr. // V sbornike: Sovremennye ehnergo- i resursosberegayushchie ehkologicheskie ustojchivye tekhnologii i sistemy sel'skohozyajstvennogo proizvodstva. Sbornik nauchnyh trudov. - Ryazan', 2016. - S. 160-162.
4.Byshov, D.N. Poluchenie pergi promyshlennym sposobom [Tekst] / D.N. Byshov, D.E. Kashirin, P.A. Ryabchenko, A.A. Petuhov // V sbornike: Forest Engineering materialy nauchno-prakticheskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. - YAkutsk, 2018. - S. 36-38.
5.Kashirin, D.E. Issledovanie processa vakuumnoj infrakrasnoj sushki pergi [Tekst] /D.E Kashirin, S.S. Morozov, B.A. Nefedov, S.D. Polishchuk //Vestnik Michurinskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - Michurinsk, 2017. - № 3. - S.168-173.
6.Kashirin, D.E. EHnergosberegayushchij process polucheniya pergi [Tekst]/D.E. Kashirin, D.N. Byshov, S.N. Gobelev i dr. //Sel'skij mekhanizator. - Moskva, 2018. - № 2. - S. 32-33.
7.Lebedev, V.I. Teplozashchitnye svojstva pchelinyh sotov/V.I. Lebedev, A.I. Kas'yanov, E.P. Lapynina -Rybnoe: Izd-vo FGBNU «NII pchelovodstva», 2016 - 22 c.
8.Morozov, S.S. K voprosu opredeleniya proizvoditel'nosti ustanovki dlya vakuumnoj infrakrasnoj sushki pergi [Tekst]/S.S. Morozov, D.E. Kashirin // Vsbornike: Inzhenernoe obespechenie innovacionnyh tekhnologij v APK Sbornik materialov Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Pod obshchej redakciej V.A. Solopova. - Michurinsk, 2018. - S. 71-73.
9.Morozov, S.S. Ustanovka dlya vakuumnoj infrakrasnoj sushki pergi [Tekst] / S.S. Morozov // Sovremennyj agropromyshlennyj kompleks glazami molodyh uchenyh: materialy nauchno-obrazovatel'noj shkoly aspirantov Associacii agrarnyh vuzov Central'nogo Federal'nogo okruga Rossii. - Orel, 2017. - S. 118-121.
10.Patent na izobretenie № 2391610 RF, F26B9/06. Ustanovka dlya sushki pergi / D.E. Kashirin (RF). -№2009109542/06; Zayavleno 16.03.2009; Opublikovano 10.06.2010. Byul. № 16.
11.Patent na izobretenie № 2660575 RF, F26B 9/066; F26B 5/04; F26B 25/00. Ustanovka dlya sushki pergi /Kashirin D.E., Gobelev S.N., Byshov D.N., Morozov S.S. (RF). - № 2016136571; Zayavleno 12.09.2016; Opublikovano 06.07.2018. Byul. № 19.
