CC BY
28
ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК [536.62.081:536.63]:[547.458.65:542.61]
Определение удельной теплоемкости инулина калориметрическим способом
Definition specific heat of inulin by the time colorimetric method
Делопроизводитель P. В. Муцаев, профессор И.Ю. Алексанян, доцент А.Х.-Х. Нугманов
(Астраханский государственный технический университет) кафедра технологических машин и оборудования, тел. 8 (512)614-191 E-mail: [email protected]
Clerk R.V. Mutsaev, Professor I.Yu. Aleksanyan, Associate Professor A.H.-H. Nugmanov
(Astrakhan state technical university) chair technological machines and equipment,
tel. 8 (512)614-191
E-mail: [email protected]
Реферат Для выполнения расчетов тепло- н массообменных аппаратов необходимо знать теп-лофизические характеристики продукта, от которых зависит выбор рационального режима проведения процессов, в частности, экстракции и сушки материала. Исследования тепло- и массообмена в дисперсных средах показывают, что теплофнзнческне характеристики влажных дисперсных материалов и растворов зависят от химической природы составляющих компонентов, структуры материала, его влагосодержания, форм связи влаги с материалом, плотности, температуры и т.д. К теплофизиче-ским характеристикам относят коэффициенты теплопроводности, температуропроводности п удельной теплоемкости. В ходе экспериментально-аналитических исследований определены удельная теплоемкость и плотность инулина в зависимости от влияющих факторов. Полученные результаты необходимы для расчета кинетики процесса, а также для составления материальных и тепловых балансовых уравнений и моделирования процессов экстракции и сушки, которые в технологии инулина являются основными энергоемкими и непосредственно влияющими на качество готовой продукции процессами. Приведены физические характеристики объекта исследования. Представлена полезная модель, относящаяся к области измерительной техники, занимающейся определением теплофнзнческих характеристик веществ и материалов; показана схема и описан принцип работы экспериментальной установки для определения теплоемкости. Определена константа калориметра.
Summary. There is necessary to know thermal characteristics (TC) of product for making heat transfer and mass transfer devices calculation. Choice of process (in particular, extraction and drying) management rational mode depends on these characteristics. Studies of heat and mass transfer in dispersed media show that the thermal characteristics of moist particulate materials and solutions depend on the chemical nature of the components, the structure of the material, its moisture content, density, temperature, etc. The main TC are thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat. During experimental analyzes identified the specific heat and density of the inulin depending on the influencing factor. Results required for calculating the kinetics of the process, for preparation of the material and heat balance equations and modeling extraction and drying processes. These processes inulin technology are major energy-intensive processes and process directly affects the quality of the finished product. The article presents physical characteristics of the research object; utility model relating to the field of measurement technology, engaged definition of thermal characteristics of substances and materials; scheme of installation is showed and its operating principle is described. Calorimeter constant is defined.
Ключевые слова-. инулин, теплофизическпе характеристики, экстракция, удельная теплоемкость, эксперимент.
Keywords: inulin, thermal characteristics, extraction, specific heat, experiment.
© Муцаев P.B., Алексанян И.Ю., Нугманов А.Х.-Х., 2017
Для выполнения расчетов тепло- и массообменных аппаратов необходимо знать теплофизические характеристики (ТФХ) продукта, от которых зависит выбор рационального режима ведения процессов, в частности, экстракции и сушки материала [1]. Исследования тепло- и массообмена в дисперсных средах показывают, что теплофизические характеристики влажных дисперсных материалов и растворов зависят от химической природы составляющих компонентов, структуры материала, его влагосодержания, форм связи влаги с материалом, плотности, температуры и т.д. [2]. К ТФХ относят коэффициенты теплопроводности А, температуропроводности а и удельной теплоемкости ст.
Существующие методы определения теплофизических характеристик влажных материалов делятся на две группы: стационарного и нестационарного потока теплоты.
В стационарных методах поток теплоты, проходящий через исследуемый образец, на протяжении всего опыта должен оставаться постоянным по величине и направлению, при этом температурное поле остается постоянным. Однако эти методы длительны и требуют очень строгого выполнения граничных условий. Методы нестационарного потока характеризуются переменным температурным режимом в испытуемом образце, кратковременным тепловым воздействием на материал, во время которого не изменяется его гидротермическое состояние, и малым градиентом, что положительно сказывается на результатах. Основное преимущество этих методов - быстрота проведения эксперимента.
Один из перспективных методов [3], который использовался при проведении исследований, отличается от известных тем, что тепловая часть содержит в качестве измерительной дифференциальную термопару, «холодный» спай которой помещён в термостат вместе с исследуемым образцом, «горячий» спай вместе с нагревателем находится внутри образца, а измерительная часть имеет предварительный фотокомпенсационный усилитель, согласованный с компенсационным самопишущим прибором.
Для оценки теплофизических характеристик в ходе экспериментально-аналитических исследований в качестве объектов исследования использовались растворы инулина различной концентрации и сухой порошок инулина (табл. 1).
Таблица 1
Характеристики инулина-порошка
Параметр Стандарт Фактиче- Единица Метод
ские зна- измере-
чения ния
Физические характеристики
Содержание сухого вещества 95-99 96,0 % ICUMSA GS2/1/3/9-15
(2007)
Состав по сухому веществу
Углеводы г 99,5 > 99,5 %
Инулин > 90 90,4 % AV_092 а2
Фруктоза, глюкоза, сахароза 5 10 9,6 % ICUMSAGS7/4/8-23
Средняя длина цепи 8-13 9 % (2002)
Зола ^ 0,2 <0,2 % AV_0032
Микробиология ICUMSA GS8-7(1998)
Аэробные количество (30 °С) < 1000 400 КОЕ/г
Аэробные количество (55 °С) < 1000 < 100 КОЕ/г ISO 4833:2003
Дрожжи s 20 < 10 КОЕ/г ISO 4833:2003 T=55 °C
Плесень s 20 < 10 КОЕ/г ISO 6611:2004
Bacillus Cereus < 100 < 100 КОЕ/г ISO 6611:2004
Энтеробактерии Нет Нет Грамм ISO 7932:2004
Стафилококк золотистый Нет Нет Грамм ISO 21521:2004
Сальмонелла Нет Нет /400 ISO 6888-1:2003
грамм ISO 6765:2002
Принципиальная схема и общий вид экспериментальной установки [3] представлены на рис. 1 и 2. Тепловая часть установки содержит дифференциальную термопару. Её «холодный» спай помещён в термостат вместе с исследуемым образцом, а «горячий» вместе с нагревателем находится внутри образца. Измерительная часть имеет предварительный фотокомпенсационный усилитель, который согласован с компенсационным самопишущим прибором. При включении нагревателя температура «горячего» спая дифференциальной термопары начинает повышаться, и этот процесс продолжается в течение Д х секунд. Затем нагрев выключается. Изменение температуры регистрируется самопишущим прибором типа КСП-4, предел измерения - от 0 до 100 мкВ. Установка содержит исследуемый образец 1 с размещённым внутри нагревателем 2, находящимся в стаканчике 3.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Внутри по оси образца находится «горячий» спай дифференциальной термопары 4, а «холодный» спай 5 расположен в свободном пространстве термостата 6. Нагреватель и термопара соединяются с блоком питания нагревателя 8 и выключателем 9 с помощью разъёма 7. Ток через нагреватель измеряется амперметром 10, напряжение - вольтметром 11. ТермоЭДС термопары предварительно усиливается фотокомпенсационным усилителем 12 типа Ф116/2, который согласован с самопишущим прибором 13 типа КСП4 с помощью магазина сопротивлений РЗЗ 14. На входе самописца имеется устройство 15 для регулировки смещения нуля прибора, что удобно для настройки начала записи кривой изменения температуры образца. Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец 1 помещается в стаканчик 3, а потом в него вводится нагреватель 2 и «горячий» спай термопары 4. «Холодный» спай 5 помещается через крышку термостата в его свободное пространство. Выключателем 9 в нагреватель подаётся ток, затем по показаниям амперметра 10 и вольтметра 11 вычисляется затраченная теплота Озатр. Процесс изменения температуры образца регистрируется на диаграммной бумаге КСП-4. После выключения тока через Ах секунд кривая записи изменения температуры вследствие выравнивания температуры по сечению образца ещё некоторое время доходит до максимума, а затем убывает. Искомая разность температур соответствует отрезку на кривой от начала процесса до этого максимума. По приведенным формулам вычисляется удельная теплоёмкость.
Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки
В ходе исследований получены результаты изменения термоЭДС между термопарами во времени с целью определения константы калориметра для расчета теплоемкости по формуле
Ш т
с" ~ ^ДТК™ '
где тв = 0,0126 кг - масса воды; 11= 2,7 В - напряжение на участке цепи; I = 0,075 А - сила тока на участке цепи; г = 540 с - время проведения эксперимента; АТ = 1,7375 К - изменение температуры; Ккал - константа калориметра. Так как Св = 4182 кДж/ кг-К, отсюда Ккал = 0,84.
Для определения общей насыпной плотности р0бщ насыпаем инулин в цилиндрическую емкость. Масса инулина (с воздухом) табщ = 1,14-Ю 2 кг. Объем цилиндра Уцил = пг2Н , где высота цилиндра Ь = 0,06 м радиус основания г = 0,011 м Отсюда Уцил= 2,279-10"5м3, тогда р0бщ= т0бщ/ 1/цил = 500 кг/м3
Истинной плотностью рИс традиционно называют массу единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии, без пор и пустот. Истинная плотность инулина рис определялась пикнометрическим способом. При температуре Т = 293 К истинная плотность инулина рис = 1778 кг/м3 .
Насыпной плотностью материалов называется его плотность в неуплотненном состоянии. Она учитывает не только объем самих частиц материала, но и пространство между ними, таким образом, насыпная плотность меньше истинной. С использованием правила аддитивности получена зависимость для определения плотности инулина в диапазоне изменения его влажности:
'= ш , а-с) '
Ре Рис
где р - плотность инулина; рис - истинная плотность инулина; рв = 1000 кг/м3 -плотность воды при температуре Т = 293 К ; ш - влажность.
Ввиду небольшого диапазона температур, в котором изменение р незначительно, принимаем р (Т, р (а) (рис. 3).
«оо-РОО-16СЭ-|'00 ыоо-
1300- ■ 1200-
Рис. 3. Зависимость плотности инулина от влажности
Из анализа рис. 3 следует, что существенное влияние на изменение плотности исследуемого материала оказывает изменение его влажности. При увеличении влажности наблюдается уменьшение его плотности, что связано с увеличением доли воды, плотность которой ниже плотности сухих веществ. Теплоемкость инулина рассчитываем по формуле
и!т
Со6ш " '
где тин = 0,092 кг - масса инулина; и = 2,9 В - напряжение на участке цепи; I = 0,075 А - сила тока на участке цепи; г = 120 с - время проведения эксперимента; АТ = 2,025 К - изменение температуры; Ккал = 0,84 - константа калориметра. Отсюда С0бщ =1176 кДж/кг-К.
При определении насыпной плотности инулина с воздухом масса, которая занимала весь объем нашей цилиндрической емкости, была равна тпобщ = 0,0114 кг. В этом эксперименте масса в той же емкости равна тпнн= 0,092 кг. Если принять, Шобщ = 0,0114 кг - 100 %, то гпин= 0,092 кг - х %. Отсюда х = 80,7 %. Другими словами, инулин (с воздухом) в нашей емкости занимает 80,7 % общего объема ^цил= 2,2279-Ю-5 м3 -> ^эксп =1,839-10"5 м3.
Объем чистого инулина рассчитывался по формуле
где Шин - масса инулина; риС - истинная плотность инулина. Отсюда У„н = 0,52-10 5м3 (28,3 %).
Объем воздуха рассчитываем по формуле 1/,< = Уэксп УИН, где Уэксп - объем инулина в цилиндрической емкости в нашем эксперименте;
Уш - истинный объем инулина в эксперименте. Отсюда V,. = 1,319-10 5 м3 (71,7 %). Формула общей объемной теплоемкости
V _ у^ла-чн , у „доли -□бщ -Е Е "Г
, а так как объемная теплоемкость Су = Стр, где Ст - массовая теплоемкость, р — плотность, получим
- - гтп ттДмш , т улоян ^общг'общ И Еув '-■ННКИН'НН
где Ообщ = 1176 кДж/кг-К - общая теплоемкость, полученная в ходе эксперимента; Робщ = 500 кг/м3 - насыпная плотность инулина; С"1в = 1006 кДж/кг-К - удельная теплоемкость воздуха; рв= 1,29 кг/м3 - плотность воздуха; Увдоля = 0,717 - объемная доля воздуха в эксперименте; Стин - удельная теплоемкость чистого инулина; Рин = 1778 кг/м3 - истинная плотность инулина; УПнлоля = 0,283 - объемная доля инулина в эксперименте. Отсюда Они = 1167 кДж/кг-К .
В работе приведены результаты экспериментальных исследований по определению одной из важных ТФХ - удельной теплоемкости инулина. Данная характеристика играет важную роль при расчете, моделировании процессов и решении системы дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса. Определена истинная и насыпная плотности инулина.
ЛИТЕРАТУРА
1. Титова, A.M. Разработка и научное обоснование способа сушки пишевых волокон [Текст]: дис. канд. тех. наук / Титова A.M. - Астрахань, 2009. - 54 с.
2. Рудобашта, С.П. Теплотехника [Текст] / С.П. Рудобашта. - М., 2015. - 672 с.
3. Патент 162877 РФ Калориметр для определения удельной теплоемкости пищевых продуктов / Нугманов А.Х.-Х., Краснов В.А., Краснов И.В. 2015.
REFERENCES
1. Titova L.M. Razrabotka I nauchnoe obosnovanie sposoba sushki pishevih volo-kon [Development and scientific justification of fibers drying]: dis. ... kand. tekhn. nauk, Asrrakhan, 2009, 54 pp (Russian).
2.Rudobashta S.P. Teplotekhnica [Heat engineering], Moscow, 2015, 672 pp. (Russian).
3.Nugmanov A.H-H., Krasnov V.A., Krasnov I.V. Kalorimetr dlya opredeleniya udelnoy teploemkosti pishevih productov [Calorimeter for finding heat capacity of foods], Patent RF №162877, 2015 (Russian).
