CC BY
16
5. Пат.на полезную модель RUS 168996 Универсальный молотильный аппарат / Липовский М.И., Перекопский А.Н.
УДК631. 3.05
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕМЯН ТРАВ
А.Ф. ЭРК, канд. техн. наук, АН. ПЕРЕКОПСКИЙ, канд. техн. наук, СВ. ЧУГУНОВ Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
Рассмотрено применение метода определения теплопроводности цилиндрическим зондом при исследовании теплофизических характеристик семян трав. Экспериментальное исследование слоя семян трав провели в лабораторных условиях с использованием полупроводникового цилиндрического зонда диаметром 2,6 мм и длиной его рабочей части 80 мм в качестве теплового зонда. Выведенная формула позволяет определить теплопроводность исследуемого материала по экспериментально полученной зависимости нагрева зонда во времени. В установке для определения теплопроводности и температуропроводности с применением зонда использовали стабилизированные источники тока и электродвижущей силы, а также потенциометр планшетный двухкоординатный. Для получения сигнала, пропорционального логарифму времени, использовали вычислительный комплекс. Определили теплофизические характеристики слоя семян трав (тимофеевки, клевера лугового и ежи сборной) в зависимости от влажности. Теплопроводность слоя семян трав увеличивалась во всем диапазоне изменения влажности. Характер изменения теплопроводности можно объяснить различными формами связи влаги с материалом. При влажности семян трав до 15% влага заполняет мелкие поры, и после их насыщения переходит в межзерновое пространство. При этом теплопроводность меньше, так как в поры материала вместо воды входит воздух, теплопроводность которого значительно ниже, чем жидкости. У материала с высокой влажностью происходит резкое увеличение теплопроводности за счет поверхностной влаги. При влажности материала больше 30% его температуропроводность практически постоянна, так как влага из материала выступила в таком количестве, при котором скорость изменения температуры уже не уменьшается, а возрастает только тепловой поток. При этом значения температуропроводности слоя семян ниже, чем воды, и на нее не влияют свойства самого материала. Приведены зависимости параметров теплопереноса от влажности для слоя тимофеевки, клевера лугового и ежи сборной.
Ключевые слова, семена трав, теплопроводность, тепловой зонд.
THERMAL AND PHYSICAL CHARACTERISTICS OF GRASS SEEDS
A.F. ERK, Cand. Sc. (Engineering), A.N. PEREKOPSKII, Cand. Sc. (Engineering), S.V. CHUGUNOV
Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
The paper considers the application of the method for determining the thermal conductivity by a cylindrical probe in the experimental study of thermal and physical characteristics of a grass seed layer under laboratory conditions. A semiconductive cylindrical probe about 2.6 mm in diameter and with the working part 80 mm long was used as a thermal probe. The derived formula calculates the thermal conductivity of the material under study by the experimentally obtained time-dependent heating of the probe. The installation to determine the thermal conductivity and thermal diffusivity with a probe included the stabilized sources of current and electromotive force as well as a two-coordinate plane potentiometer. To obtain a signal proportional to the logarithm of time, a computing system was used. The thermal and physical characteristics of the grass seed layer (timothy, meadow clover and cock's-foot grass) were determined depending on the moisture content. The thermal conductivity of the grass seed layer increased throughout the moisture content variation range. The nature of changes in the thermal conductivity can be explained by various forms of moisture binding to the material. Under the grass seed moisture content below 15%, the moisture fills the small pores, and after their saturation passes into the inter-seed space. In this case, the thermal conductivity is smaller, since the pores of the material are filled with air with much lower thermal conductivity compared to a liquid. Very wet material causes a sharp increase in thermal conductivity due to the surface moisture. Under the moisture content of the material above 30%, its thermal diffusivity is practically constant, since the moisture was released from the material in such a quantity that the variation rate of the temperature no longer decreases, but only the heat flow grows. In this case, the thermal diffusivity of the seed layer is lower than that of water, and the properties of the material itself do not affect it. Dependences of the heat transfer parameters on the moisture content are shown for the layer of timothy, meadow clover and cock's-foot grass.
Keywords, seeds of grasses, heat conductivity, thermal probe. ВВЕДЕНИЕ
При исследовании методом математического моделирования процесса сушки слоя семян трав необходимо знать численные значения его теплофизических характеристик: теплопроводности и температуропроводности[1]. Анализ методов исследования теплофизических параметров капиллярно-пористых материалов, каким является слой семян, показал, что целесообразнее использовать метод цилиндрического зонда постоянной мощности. Данный метод основан на закономерностях нестационарного температурного поля в первой стадии его развития и обладает рядом достоинств, необходимых при работе с неоднородными и сыпучими влажными материалами: кратковременность и простота эксперимента и математического расчета; отсутствие необходимости предварительной подготовки образца для придания ему определенной формы и размеров; минимальное нарушение структуры материала при введении цилиндрического зонда в исследуемый материал; незначительныйподогрев зонда и кратковременность теплового воздействия, в течение которого гигроскопическое состояние материала не должно измениться; минимальный перепад температур, позволяющий свести к минимуму миграцию влаги[2].
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Экспериментальное исследование теплофизических параметров слоя семян трав провели в лабораторных условиях. В качестве теплового зонда использовали полупроводниковый цилиндрический зонд. Диаметр зонда 2,6 мм, длина его рабочей части 1ц = 80 мм.
Теплопроводность слоя семян трав X определяли, используя следующее выражение
А = рц 1п ^/К (tЦ2 - ^ )]
т (1)
где Рц - мощность источника подогрева зонда, Вт; /ц , /ц - значения температуры зонда в
момент времени т2, т1, С.
ц^ Ц1
„ 0С
21
Эта формула позволяет определить теплопроводность исследуемого материала по экспериментально полученной зависимости нагрева зонда во времени Лтц = / (т).
Решая уравнение теплопроводности при следующих условиях однозначности:
- исследуемый материал представляет бесконечно протяженную среду, внутренне ограниченную поверхностью цилиндрического зонда;
- температура исследуемого материала в начальный момент времени (т = 0) принимается равной нолю: tm (о) = 0;
- превышение температуры зонда над температурой материала Лц = Лц (о), получили зависимость
А = гЦ Сц Л/ц (о)/(4тЛ/ ц), (2)
где г - радиус зонда, м; Сц - объемная теплоемкость зонда, Дж/(м3*0С).
Л/ц/ Л/ц (о)=/ Л
'(3)
где л - отношение объемных теплоемкостей исследуемого материала и зонда [3].
Построив кривую охлаждения зонда в исследуемом материале с известной теплопроводностью и используя зависимости (2) и (3), можно определить числовое значение Л и затем, при известных значениях теплопроводности зонда Сц, определить значения его объемной теплоемкости См и температуропроводности« :См = л Сц; а = X/ См.
Рабочая формула для расчета теплопроводности исследуемого материала в соответствии с формулой и уравнением измерительного блока имеет вид
А = К1Т2/[(273,15 + /0 )Ли], (4) т1
гдеК - постоянная установки, В 0С Ом/м [4]; I - величина тока подогрева зонда, А;
Ди - разность потенциалов, соответствующих концу и началу прямолинейного участка зависимости и = / (^т), В;
т т ^
1, 2 - моменты времени, соответствующие началу и концу прямолинейного участка
зависимости и = / (^т), с
К = К1 (273,15 + /0 )2 SR / /ц, (5)
где К1 - коэффициент, зависящий от типа термосопротивления, монтированного в зонд; ^ - температура баланса моста измерительной схемы, 0С; R - сопротивление обмотки подогрева зонда, Ом; Б - температурная чувствительность установки, В/0С;
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В установке для определения теплопроводности и температуропроводности с применением зонда использовали стабилизированный источник тока, стабилизированный источник ЭДС, потенциометр планшетный двухкоординатный. Для получения сигнала, пропорционального логарифму времени, использовали вычислительный комплекс.
Установка имеет температурную чувствительность около 2*10-2 В/0С и позволяет производить измерения при избыточной температуре до 0,1-0,2 0С. Время теплового воздействия 3-15 мин. При этом температурный градиент вблизи зонда и тем более в удалении от него незначителен. Инструментальная погрешность установки не превышает 5%.
Используя изложенную выше методику, определили теплофизические характеристики слоя семян трав (тимофеевки, клевера лугового и ежи сборной) в зависимости от влажности (рис. 1, 2). Теплопроводность слоя семян трав (тимофеевки и ежи сборной) увеличивается во всем диапазоне изменения влажности.
Л, Вт/моС
0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1
У у
у Л
/ /
/ у
/ / У
-1
Ч
0 10 20 30 40 50
W, %
--------2
-3
Рис. 1. Зависимость теплопроводности X исследованных материалов от влажности W: 1- тимофеевка, 2 - клевер луговой, 3 - ежа сборная.
а*10б, м2/с
0,15
0,1
0,05
\ N \ ч
— ---------2 , -3
10 20 30 40 50 W, %
Рис. 2. Зависимость температуропроводности^ исследованных материалов от влажности W: 1- тимофеевка, 2 - клевер луговой, 3 - ежа сборная.
Характер изменения теплопроводности можно объяснить различными формами связи влаги с материалом [5, 6]. При влажности семян трав до 15% влага заполняет мелкие поры, и после их насыщения переходит в межзерновое пространство. При этом теплопроводность меньше, так как в поры материала вместо воды входит воздух,теплопроводность которого значительно меньше, чем жидкости. У материала с высокой влажностью происходит резкое увеличение теплопроводности за счет поверхностной влаги, так как влага выступает на поверхность отдельных зерен и образует водяные тепловые «мостики» в местах контакта частиц материала.
Характер изменения температуропроводности слоя семян трав в зависимости от влажности (рис.2) сложен. Так, температуропроводность снижается при уменьшении влажности до 30%. Это можно объяснить тем, что скорость изменения температуры в воздухе выше, чем в воде, и влага в слое с увеличением ее содержания насыщает поры и выступает на поверхности, что способствует уменьшению скорости изменения температуры. При влажности материала больше 30% его температуропроводность практически постоянна, так как влага из материала выступила в таком количестве, при котором скорость изменения температуры уже не уменьшается, а возрастает только тепловой поток. При этом значения температуропроводности слоя семян ниже, чем воды, и на нее не влияют свойства самого материала.
ВЫВОДЫ
Для определения параметров теплопереноса в слое семян трав может быть использован метод цилиндрического зонда постоянной мощности.
Параметры теплопереноса в слое семян трав существенно зависят от влажности. Теплопроводность увеличивалась от 0,15 до 0,4 Вт/м-°С, а температуропроводность уменьшалась от 0Д3-106 до 0,03-106 м2/с при изменении влажности семян от 10 до 50%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Эрк А.Ф. Колебания влажности зерна и семян трав, поступающих на послеуборочную обработку в течение суток / Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 1983. №39. - С. 113-116.
2. Эрк А.Ф.Методы и средства повышения эффективности процесса сушки семян трав и зерновых культур в конвейерной сушилке. Дис. ... канд. техн. наук. Л.:ЛСХИ, 1983.
3. Лыков А.В. Теоретические основы строительной теплофикации. - Минск, 1961. - 520 с.
4. Шашков А.Г. и др. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. - М.: Энергия, 1973. - 366 с.
5. Эрк А.Ф., Папушин Э.А. Сушка семян трав с использованием гелиоколлектора / Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. №87. - С.254-259.
6. Эрк А.Ф., Перекопский А.Н. Математическая модель процесса сушки зерна в карусельной сушилке. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. - С-Пб, 2016. - № 90. -С. 78 - 83.
