CC BY
68
УДК 634.74.004.12 И.А. Короткий
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯГОД ОБЛЕПИХИ
В статье приведены основные положения первого буферного метода двух температурно-временных интервалов. Дано описание лабораторного стенда и методики проведения эксперимента для определения теплофизических характеристик ягод облепихи. Представлены значения теплофизических характеристик ягод пяти сортов облепихи, определенные с помощью изложенной методики. Публикуемый материал интересен для специалистов, занимающихся исследованиями теплофизических свойств пищевых продуктов, а также для тех, кто занимается технологическим обеспечением консервирования и переработки ягод.
Теплофизические характеристики являются базовыми величинами при расчетах технологических процессов, в которых происходит нагревание, охлаждение или замораживание пищевого продукта, а также при проектировании и подборе технологического оборудования для осуществления такого рода процессов.
Заготовка, консервирование и переработка ягод облепихи сопровождаются низкотемпературными или высокотемпературными воздействиями, поэтому для разработки эффективных и энергосберегающих технологий консервирования и переработки ягод облепихи необходима достоверная и объективная информация об их теплофизических характеристиках.
Методы двух температурно-временных интервалов относятся к скоростным методам определения теплофизических характеристик, которые позволяют в одном опыте определять температуропроводность а, теплопроводность А, объемную теплоемкость Су твердых, жидких, сыпучих продуктов при температурах выше и ниже криоскопической точки [1]. Из группы методов двух температурно-временных интервалов наилучшим образом для практического применения подходит первый буферный метод [2].
Принципиальная схема лабораторной установки, предназначенной для экспериментального определения теплофизических характеристик первым буферным методом двух температурно-временных интервалов, изображена на рис. 1. Она состоит из теплоприемника 10, который изготовлен из оргстекла, его боковая поверхность покрыта пенополиуретановой теплоизоляцией 14. Нагреватель 4, обладающий малой тепловой инерционностью, выполнен из медного ТЭНа 2, он позволяет поддерживать постоянную температуру с точностью ±0,1 X с помощью установленного в нем термистора 3 и термостатирующего устройства 1. Основание нагревателя 15, основание теплоприемника 9, винтовое приспособление 11 способны перемещаться по направляющим стержням 12, которые установлены в основании установки 13. Они обеспечивают доступ к исследуемому объекту 7 и необходимый тепловой контакт между поверхностями объекта, теплоприемником и нагревателем. Измерение температур в ходе теплотехнического эксперимента производится хромель-копелевыми термоэлектрическими преобразователями (термопарами) 5, одна из которых размещена на рабочей поверхности нагревателя, другая в теплоприемнике. Расстояние между рабочей поверхностью теплоприемника и термопарой называют буферным слоем 8. Показания термопар фиксируются измерительным стендом 6, ядром которого является плата расширения ЭДС термопар, устанавливаемая в разъем ^ Ш совместимого компьютера.
Рис. 1. Схема лабораторного стенда для определения теплофизических характеристик первым буферным методом двух температурно-временных интервалов: 1 - термостатирующее устройство; 2 - медный ТЭН; 3 - термистор с термопарой; 4 - медная пластина (рабочая поверхность нагревателя); 5 - хромель-копелевые термоэлектрические термопреобразователи (термопары); 6 - измерительный комплекс;
7- исследуемый объект; 8 - буферный слой; 9 - основание теплоприемника; 10 - теплоприемник;
11 - винтовое приспособление; 12 - три направляющих стержня; 13 - основание; 14 - теплоизоляция теплоприемника; 15 - основание нагревателя; 16 - корпус нагревателя
Исследуемый материал размещается в полости 7 между теплоприемником и нагревателем. Нагреватель, теплоприемник и объект исследования до опыта должны находиться в тепловом равновесии. Для проведения исследований ягоды облепихи измельчались. Полученное пюре заливалось в полость 7 таким образом, чтобы при установке нагревателя не было воздушной прослойки и пузырьков воздуха между поверхностями нагревателя и исследуемого продукта. Затем лабораторная установка выстаивалась при постоянной температуре до тех пор, пока показания термопар на поверхности нагревателя, в буферном слое и на свободной поверхности теплоприемника не выравнивались. При включении нагревателя происходит интенсивный разогрев его рабочей поверхности до заданной температуры. Теплота от нагревателя через исследуемый материал передается теплоприемнику, температура которого повышается. Разность температур между поверхностью нагревателя и буферным слоем контролируется и фиксируется измерительным комплексом 6 в зависимости от времени (линия 1, рис. 2). Выбрав на кривой 1 две точки с координатами ^, ті и t2, Т2 и подставив значения этих координат в систему уравнений (1), можно определить значение теплопроводности Ли температуропроводности а исследуемого материала.
І.
V
л і (ьа—і
Л/ (Ыа)+1^
I
І —і
н 2
Ґ1+ЛІ М—і
к л/ (Ыа)+1у
I
к=0
ЛI Ьа)—1
ІЩ+1
ЛI (ь!а)-1 Л/ (ь!а)+1
к
вг[с
к
еГс
к
к
К
к
к
к
\\
а
— +1+2■ к
ав
а
\л
— +1+ 2^ к
а
где Ь - толщина исследуемого объекта;
Ьв - толщина буферного слоя;
ав - температуропроводность теплоприемника;
і
1
н
І
2
н
Ь = }-в14йв - постоянная теплоприемника, Лв- теплопроводность теплоприемника;
и - разность температур нагревателя в установившемся режиме работы и начальной температурой (линия 3, рис. 2).
Рис. 2. Экспериментальный результат определения теплофизических характеристик ягод облепихи сорта «Дар Катуни»: 1 - разность температур между нагревателем и буферным слоем; 2 - теоретическая зависимость разности температур между нагревателем и буферным слоем; 3 - температура поверхности нагревателя; I - точки, координаты которых подставляются в первое уравнение системы (1); II - точки, координаты которых подставляются во второе уравнение системы (1)
Система уравнений (1) не имеет аналитического решения относительно Л и а, однако она легко решается численными методами.
Для получения более достоверных результатов для определения теплофизических характеристик на кривой 1 выбирали не две точки, а две группы точек (группа I и группа II, рис. 2), в каждой из групп соответственно по семь точек, которые выбирались с определенным интервалом. Каждая из точек одной группы составляла пару с каждой точкой другой группы. Таким образом, получается 49 систем уравнений вида (1). В каждой из которых определяются значения теплопроводности и температуропроводности. Эти значения несколько отличаются друг от друга, поэтому в качестве окончательных величин теплопроводности и температуропроводности исследуемого сорта ягоды принимали средние значения Л и а, которые были определены для каждой пары точек.
Используя найденные значения Л и а с помощью уравнения (1), можно получить расчетное изменение температуры в буферном слое в зависимости от температуры (линия 2, рис. 2). Как видно из рис. 2 экспериментальная (1) и теоретическая (2) линии практически совпадают. Таким образом, найденные в опыте значения теплофизических характеристик соответствуют их истинным величинам.
Объемную теплоемкость Су определяли из формулы:
Массовую теплоемкость ст определяли по формуле:
с — су/,
(2)
(3)
где р - плотность ягоды.
Теплофизические характеристики ягод исследованных сортов облепихи, определенные с помощью описанной методики, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Теплофизические характеристики ягод исследованных сортов облепихи
Сорт ягод а-107, м2/с Л Вт/(м-К) су -10-6, Дж/(м3'К) Р кг/м3 ст, Дж/(кг-К)
Масляничная 1,834 0,532 2,901 924 3139
Дар Катуни 2,04 0,65 3,186 961 3316
Чуйская 1,86 0,555 2,984 938 3181
Золотой початок 1,915 0,598 3,123 952 3280
Пантелеевская 2,11 0,667 3,161 965 3276
Основные компоненты, входящие в состав исследованных сортов ягод, в наибольшей степени влияющие на их теплофизические характеристики, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Состав ягод исследованных сортов облепихи
Сорт ягод Массовая доля влаги, % Массовая доля сахаров, % Растворимые сухие вещества, %
Сахароза Общие
Масляничная 87,4 0,15 2,56 7
Дар Катуни 87,8 0,31 5,32 9,3
Чуйская 88,4 0,14 3,51 9,2
Золотой початок 82,1 0,34 3,99 8,5
Пантелеевская 87 1,72 5,55 10,2
Таким образом, теплофизические характеристики неисследованных сортов облепихи, а также ягод, несколько отличающихся от исследованных по составу, могут быть приближенно определены интерполированием приведенных данных теплофизических характеристик и компонентного состава исследованных сортов.
Литература
1. Волькенштейн, С. Скоростной метод определения теплофизических характеристик материалов / С. Волькенштейн. - Л.: Энергия, 1971.
2. Остроумов, Л.А. Метод двух температурно-временных интервалов для определения теплофизических характеристик твердообразных, жидких и сыпучих пищевых продуктов и материалов / Л.А. Остроумов, И.А. Короткий, М.И. Ибрагимов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007. - №1.
