Коэффициенты теплопроводности рыбьего жира в диапазоне температур 298-363 к и давлений до 30 МПа Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.632

Ш. А. Бикташев, Р. Р. Накипов, И. Р. Габитов, Р. А. Усманов, З. И. Зарипов

КОЭФФИЦИЕНТЫ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ РЫБЬЕГО ЖИРА

В ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР 298-363 К И ДАВЛЕНИЙ ДО 30 МПа

Ключевые слова: коэффициент теплопроводности, омега-3, рыбий жир. Приведены результаты экспериментального исследования коэффициентов теплопроводности рыбьего жира.

Keywords: heat conductivity, omega-3, fish oil. The results of experimental investigation offish oil's heat conductivity are presented.

Введение

Исследованию влияния омега-3 жирных кислот на организм человека было посвящено множество работ [1, 2]. В данных исследованиях говориться о положительном влиянии от употребления человеком рыбьего жира, основного источника омега-3, на поддержание здоровья и профилактики различных заболеваний. В частности, предотвращение сердечного приступа, снижение уровня холестерина в крови, помощь организму в лечении аритмии, атеросклероза, воспалительных процессов, онкологических заболеваний [3].

Важнейшими омега-3 полиненасыщенными жирными кислотами являются: альфа-линоленовая кислота (АЛК), эйкозапентаеновая кислота (ЭПК) и докозагексаеновая кислота (ДГК).

Рис. 1 - Структура основных полиненасыщенных жирных кислот

соон омега-3

До недавнего времени основным источником омега-3 в фармацевтике являлся рыбий жир. Однако данные жирные кислоты не синтезируются организмами рыб, они поступают туда вместе с микроводорослями. В настоящем времени именно микроводоросли являются основным источником жирных кислот омега-3. Для извлечения этих ценных компонентов применяют различные виды экстракции. Наиболее совершенным на данный момент считается сверхкритическая флюидная экстракция с диоксидом углерода в качестве экстрагента [4, 5, 6]. Эффективное экстрагирование характеризуется максимальным выходом целевого компонента, а также оптимальными по энергозатратам параметрами проведения процесса.

Для определения оптимальных параметров проведения процесса, в том числе необходимы данные по теплофизическим свойствам компонентов системы. Данная работа посвящена исследованию коэффициентов теплопроводности рыбьего жира, данные по которым отсутствуют литературе.

Материалы и методы исследования

В качестве исследуемого вещества используется рыбий жир OMEGA-3 "950" (nD25 = 1,4792, р425 = 904,8 кг/м3), производитель SOLGAR VITAMINE AND HERB, со следующим составом: эйкозапентаеновая кислота (ЭПК) 53,05 % (масс.), докозагексаеновая кислота (ДГК) 39,79 % (масс.), вспомогательные вещества (желатин, глицерин, смесь токоферолов) 7,16 % (масс.)

Исследования коэффициентов

теплопроводности были проведены на автоматизированной экспериментальной установке, реализующей метод нагретой нити [7].

Расчетная формула метода имеет вид:

Q A t

где X - коэффициент теплопроводности

Л 1 1 d 2 -

A, =-ln —

1 2П d,

геометрическая постоянная измерительной трубки, 1/м; Q = VUnp -количество тепла, выделяемое нагревателем, ватт; At = Ц4ст - перепад температур в слое исследуемой жидкости; Ц - температура нагретой нити; t^ - температура стенки.

Для проверки работоспособности экспериментальной установки были проведены

X = А

(1)

исследуемого образца, Вт/(м^К),

измерения

по

определению

20

контрольные

коэффициентов теплопроводности октана (пп2и = 1,3974), толуола марки ЧДА, воздуха и дистиллированной воды (пп2и = 1,3331; р42и = 998,2 кг/м3) в диапазоне температур 275-350 К и давлений до 20 МПа [8, 9].

Результаты контрольных измерений показали отклонение от литературных данных в пределах суммарных ошибок измерения [10, 11].

Экспериментальная часть

Исследование теплопроводности рыбьего жира в интервале температур 298-363 К и давлений до 30 МПа было проведено на экспериментальной

установке, реализующей метод нагретой нити, конструкция основных узлов которой, а также расчетная формула метода измерения и методика подробно описаны в [8, 12].

Результаты исследования и обсуждение

В общем случае, для большинства жидкостей, теплопроводность снижается с ростом температуры и возрастает с ростом давления. Данное поведение обусловлено изменением в расстоянии между молекулами вещества, что имеет существенное влияние на перенос тепла от одного изотермического слоя к другому.

Анализ результатов экспериментальных данных показывает, что данная закономерность сохраняется и в нашем случае. Как видно из рисунка 2, для исследуемого образца рыбьего жира зависимость теплопроводности от давления имеет практически линейный характер.

Рис. 2 - Зависимость коэффициента теплопроводности А исследуемого образца от давления Р при температуре: 1 - 313К; 2 - 333К; 3 - 353К; 4 - 373К

Рис. 3 - Зависимость коэффициента теплопроводности А исследуемого образца от температуры при давлении: 1 - 0,098 МПа; 2 - 4,9 МПа; 3 - 9,8 МПа; 4 - 14,7 МПа; 5- 19,6 МПа; 6 -24,5 МПа; 7 - 29,4 МПа

Рисунок 3 показывает нелинейное поведение зависимости теплопроводности от температуры. В начале диапазона наблюдается небольшой рост (1-1,5 %) с максимумом при температуре 330К, затем с ростом температуры теплопроводность снижается. Такое поведение характерно для ассоциированных жидкостей с ОН группой.

Для описания экспериментальных данных было использовано уравнение Тейт-типа (2). Данные уравнения были неоднократно успешно использованы для описания различных термодинамических [13] и переносных свойств (вязкость, теплопроводность) [14].

А<Г-р) = А<Г,

1 -Ain

15 +р

(2)

I

где А,(Т, р) - коэффициент теплопроводности исследуемого вещества при параметрах температуры Т и давления р; А,(Т, р0) - коэффициент теплопроводности исследуемого вещества при температуре и давлении р0; р0- атмосферное давление = 0,098 МПа; А и В - параметры уравнения, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры уравнения Тейта

Т, К А В

313,15 0,4995 259,88

333,15 0,6457 308,65

353,15 0,5139 220,11

363,15 0,473 191,25

373,15 0,5084 197,02

Рассчитанные по уравнению Тейта значения коэффициентов теплопроводности хорошо согласуются с данными, полученными эмпирически с предельным отклонением в 2%, что говорит о возможности использования данного уравнения для прогнозирования значений коэффициентов теплопроводности в более широком диапазоне изменения параметров состояния.

Заключение

В настоящей работе на основе экспериментальных данных установлена закономерность изменения коэффициентов теплопроводности рыбьего жира OMEGA-3 "950" от давления и температуры.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 13-03-12078 офи-м).

Литература

1. W.E.M Lands, Fish, Omega-3 and human health, second edition. AOCS Publishing, Orlando, 1986. 235 c.;

2. J.E. Kinsella, Seafood and Fish oils in Human health and Disease. Marcel Dekker Inc., New York, 1987. 317c.;

3. D. Scott, K. Srirama, Carani B. Sanjeevi, Current Diabetes Reviews, 3, 198-203 (2007);

4. Ш. А. Бикташев, Л. Я. Яруллин, Ф. М. Гумеров, Ф. Р. Габитов, Р. А. Усманов, И. М. Абдулагатов, B. Willson, Вестник Казан. технолог. ун-та, 17, 251-253 (2011);

5. F. Timelli, E. LeBlanc, Long Fu, Journal. of food science, 60, 4, 703-706 (1995);

6. А.К. Чернышев, Ф.М. Гумеров, Г.Н. Цветинский, Р.С. Яруллин, С.В. Иванов, Б.В. Левин, М.И. Шафран, И.Ф. Жилин, А.Г. Бесков, К.А. Чернышев. Диоксид углерода: свойства, улавливание (получение), применение. Изд-во «Инфохим», М., 2013. С. 580-694;

7. Н.В. Цедерберг, Теплопроводность газов и

жидкостей. Изд-во Госэнергоиздат, М., 1963. 408 с.;

8. F.N. Shamsetdinov, Z.I. Zaripov, F.M. Gumerov, F.R. Gabitov, I.M. Abdulagatov, M.I. Huber, A.F. Kazakov. International journal of refrigeration, 36, 4, 1347-1368 (2013);

9. Р.Р. Габитов, Р.Р. Накипов, Ф.Н. Шамсетдинов, Р.А. Усманов, И.Х. Хайруллин, З.И. Зарипов. Вестник Казан. технолог. ун-та, 15, 21, 25-27 (2012);

10. Н.Б. Варгафтик, Л.П. Филиппов, А.А. Тарзиманов, Е.Е. Тоцкий. Теплопроводность газов и жидкостей. Изд-во стандартов, М., 1978. 472 с.;

11. NIST database, National Institute of Standards and Technology, Boulder, US;

12. Ф.Н. Шамсетдинов, З.И Зарипов, А.Х. Садыков, Г.Х. Мухаметзянов, Вестник Казан. технолог. ун-та, 14, 230-234 (2011);

13. Assael, M.J., Mylona, S.K., Huber, M.L., Perkins, R.A. J. Phys. Chem. Ref., 41, 2, 023101-023101:023112 (2012);

14. Ganiev, Y., Musoyan, M.O., Rastorguev, Y.V., Grigor'ev, B.A., M. Pichal, O. Shifner. Water and Steam, Hemisphere, NY, 1989, pp. 132-139.

© Ш. А. Бикташев - асп. каф. теоретических основ теплотехники КНИТУ, xatyaz@gmail.com; Р. Р. Накипов - студент той же кафедры, nakip88@yandex.ru; И. Р. Габитов - асп. той же кафедры, gabitov.ilgiz@gmail.com; Р. А. Усманов - докторант, к.т.н., доцент той же кафедры, usmanoff@gmail.com; З. И. Зарипов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, zufar_zaripov@mail.ru;