УДК 664.021.3/4.002.64(035)

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МАССООБМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ОТ ВЛАЖНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ

А. А. УЛУМИЕВ, д-р тех. наук,

Г. С. КАИРБЕКОВА,

Ш. М. ГАСАНГУСЕЙНОВ, соискатель

Х. Х. ХАНМАГОМЕДОВ, соискатель,

ДГСХА, г. Махачкала

Ключевые слова:теплофизические свойства, отходы, температура, влажность, влагокоэффициентов, коэффициент.

Keywords: temperature properties, a waste, temperature, humidity, a moisture of factors, factor.

Работа посвящена результатам исследований зависимостей теплофизических свойств и массообменных характеристик термолабильных отходов переработки продуктов сельского хозяйства от влажности и температуры [1,8]. Полученные данные рекомендуются использовать при расчете кинетики процесса сушки и разработки перспективных процессов и аппаратов для сушки и хранении термолабильных отходов переработки продуктов сельского хозяйства и обоснование условий их хранения.

1. Теплофизические свойства.

Для исследования коэффициента теплоемкости (Ср) выжимок винограда и яблок в широком диапазоне температур и концентрации использовали известный и относительно простой сравнительный метод [1]. Результаты исследований, приведенные в табл.1, показывают, что в пределах t=10…90єС удельная теплоемкость отходов меняется незначительно, увеличиваясь с ростом влажности (W,%), снижаясь с увеличением температуры и оставаясь во всех случаях ниже теплоемкости воды.

Таблица 1. Удельная теплоемкость выжимок (винограда/яблок)- Ср. в./Ср. я.;кДж/кг·град

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

tєС

10

20

40

60

80

90

W=80%

3,80/3,75

3,75/3,60

3,70/3,65

3,65/3,60

3,55/3,50

3,52/3,47

W=10%

2,02/2,01

2,00/1,95

1,97/1,90

1,90/1,85

1,85/1,80

1,80/1,75

Одинаковый характер зависимостей теплоемкостей Ср=f(t;W) от температуры (t) и влажности (W) отходов переработки винограда и яблок с разбросом не более 5%, очевидно связано со сходством их структур и химических составов.

Для определения коэффициента теплопроводности – л выжимок (табл.2) нами был использован стационарный метод [8].

Таблица 2. Коэффициент теплопроводности – (лв/ ля) ·10; Вт/м град.

tєС

10

20

40

60

80

90

W=80%

0,57/0,55

0,595/0,58

0,616/0,601

0,654/0,644

0,659/0,66

0,671/0,666

W=10%

0,270/0,262

0,282/0,280

0,305/0,304

0,335/0,330

0,353/0,345

0,375/0,380

Анализ результатов исследования (табл. б) показывает, что значение л выжимок при t=0…100єС увеличивается, а при незначительных влажностях ниже W=10% значение л хоть и падает, но температурная зависимость остается еще заметной. Очевидно зависимости л=f(t;W) также связаны со сходством структурных составов химических элементов, способствующих подобной интенсивности переноса теплоты в выжимках винограда и яблок.

Результаты исследования зависимости температуропроводности от температуры и влажности выжимок а=f(t;W) (табл. в), проведенные нами методами регулярного [2] и комплексного [4] режимов, подтверждает сходства структуры теплофизических свойств отходов промышленной переработки винограда и яблок, полученных при производстве виноградного сусла и яблочного сока на перерабатывающих предприятиях.

Таблица 3. Коэффициент температуропроводности – (ав/ая)·10-7, м2/с.

tєС

10

20

40

60

80

90

W=80%

0,150/0,118

0,160/0,55

0,162/0,161

0,170/0,168

0,176/0,172

0,181/0,080

W=10%

0,125/0,124

0,139/0,140

0,152/0,154

0,168/0,167

0,178/0,130

0,130/0,188

1. Массообменные характеристики.

Результаты предварительных опытов определения влагокоэффициентов были уточнены совместным анализом кривых сорбции, полученных динамическим способом при t=14…92єС и ц=10…100%, используя методику [4] и стандартный классический метод [5,6].

По полученным изотермам Wр=f(ц)ф (рис.1а) рассчитывали энергии связи влаги с материалом (рис.1б), используя м=-RTlnц и построили вспомогательный график U=f(м)Т графическим дифференцированием которого, используя , получили зависимости удельных изотермических массоемкостей от влагосодержания , характеризующие влагоаккумулирующие способности продукта.

Для определения зависимости температурного коэффициента химического потенциала масспроводности от влажности был построен график зависимости для различных значений и, используя зависимость . А для определения зависимости термоградиентного коэффициента от влажности д=f(и)Т использовали ; гр/гр·К; (%/К).

Как показал для определения изотермической массоемкости - ст можно использовать также изотермы сорбции рис.1 в виде Wр=f(ц)Т и экспериментальный потенциал массопереноса эталона – фильтрованной бумаги в виде рис.2, независящий от влагосодержания, а величину и зависимость (рис.2б) находим графическим дифференцированием полученной зависимости .

Анализ результатов исследований влагокоэффициентов показывает, что величина возрастает с увеличением влажности материалов, что характерно для изотерм, у которых при относительной влажности материала ц→1 влагосодержание W→∞. Сравнительный анализ зависимости показывает заметное влияние на влажности, по сравнению с температурой.

Зависимость , показывая рост с увеличением влажности в гигроскопической области, не имеет экстремальных точек. Очевидно это связано перемещением влаги в виде пара при малых значениях и. Как видно из рис.2а до значения и=24оМ характер изменения ст выжимок винограда и фильтрованной бумаги идентичен, это свидетельствует о том, что при данных значениях и сухие выжимки проявляют свойство капиллярно-пористых тел как фильтрованная бумага. При и>24оМ наблюдается резкий подъем крутизны характеристики . Рис.2а свидетельствует завершение процесса заполнения микропор, наступлением микрокапиллярной конденсации.

При значениях и>0,07(г/г) у сухих выжимок величина сначало резко увеличивается до и=0,15 (г/г), а затем уменьшается. Максимум связан с совместными процессами адсорбции и капиллярной конденсации, и действующих на изменение величины в противоположных направлениях.

При значениях и>0,4(г/г) величина начинает расти, что означает предел значения и=1000М при котором и материала интенсивно увеличивается, вызывая рост.

Для определения коэффициента потенциалопроводимости /диффузии/, представляющей собой основную кинетическую характеристику и влагоинерционные свойства материала, а также оказывающего наибольшее влияние на интенсивность внутреннего влагопереноса, мы использовали методику , основанную на обработке кривых кинетики сушки, для определения зависимости .

Рис.2а. Зависимости и .

Рис.2б. Зависимость изотермической массо емкости от влагосодержания

Полученные значения ат позволяют оценить одну из важнейших характеристик выжимок, как объект сушки – критерий Лыкова Lu=am/a, характеризующий соотношения инерций полей влажности (и) и температуры (t), для определения значений и и t. Так например, для и=1,3, кг/кг и t=600c, a=1,03·10-6(м2/с), а ат=0,3·10-9(м2/с). Критерий Лыкова Lu=0,29·10-3. Как видно интенсивность развития температурного поля в выжимках во много раз превышает интенсивность переноса влаги.

Результаты исследования равновесной влажности были использованы также и для установления зависимости метода и средства упаковки и определения термодинамических условий хранения сухих продуктов.

Для длительного хранения необходимо, чтобы материал был высушен не только до оптимальной остаточной /равновесной/ влажности, но и изолирован от разрушительных действий состава и термодинамических параметров окружающей парогазовой смеси в процессе хранения, определяемых методом и материалом упаковки.

Результаты анализа исследования, посвященные определению равновесной влажности гранулированных выжимок и семян в условиях ц=0,2…0,90, t=18…400С, позволило получить аппроксимирующие зависимости в виде: Wp=т+п(ц)1,7;%, соответствующими постоянными т и п. Расхождения результатов с опытными данными составляет ±10%.

Например, для семян яблок при t=20oC, Wp=3,5+3,5(0,3)1,7=5,3%

при t=40oC, Wp=3,5+14(0,9)1,7=13,3%

В соответствии с принятой на практике классификацией продукты с гигроскопичностью до (Wp)t=10% - негигроскопичные, в приделах (Wp)t=10…15% - малогигроскопичные, с (Wp)t=15…20% - средне гигроскопичные, от 20…25% - сильно гигроскопичные. Соответственно подбором методов и материалов для их упаковки отходы яблок и винограда /выжимки/ можно отнести к сильно гигроскопичным, а семена - к средне гигроскопичным.

Полученные экспериментальные данные по равновесному влагосодержанию были проверены также и на соответствие уравнению БЭТ представленное в виде:

.

По экспериментальным постоянным монослоя изотерм (с - безразмерный коэффициент, зависящий от связи влаги с материалом и температуры, um – влагосодержание соответствующее мономолекулярному покрытию поверхности материала), используя уравнения БЭТ определили остальные параметры монослоя:

относительная влажность воздуха , а

;

где Е и Ет – энергия конденсации водяного пара и средняя энергия связи влаги с материалом. Удельная поверхность материала (м2/гр.); где М= 18 – молярная масса, т. е. масса одного моля воды (в граммах); NA=6,0225·1026- число Авогадро, 1/моль; f≈10,6·10-20- поверхность молекулы воды, м2. Диаметр молекул Dм можно найти по числу молекул в киломоле:

.

Наблюдается так же существенная обратная зависимость величин um; Em и c от температуры. Например, при t=20oC um=0,047(кг/кг); при t=50oC um=0,04 (кг/кг); при t=60oC; um=0,035(кг/кг) и следовательно при t=20oC sуд.=0,047·3,5·103=164,5 (м2/гр); при t=60oC sуд=126(м2/гр).

Результаты исследования распределения пор по размерам методом графического дифференцирования структурных кривых полученных методом Чокли [2] показали, что наибольшее количество пор в материале распределены rэ=(12…22)10-10м, что свидетельствует микропористость гранулированных выжимок винограда, яблок и других фруктов и их семян.

Полученные данные по теплофизическим свойствам и массообменным характеристикам [7] широко используются при усовершенствовании существующих и разработки перспективных процессов и аппаратов для сушки отходов промышленной переработки фруктов, ягод и овощей. А так же при обосновании методов и средств упаковки высушенных отходов переработки фруктов и ягод с целью увеличения продолжительности их хранения и удобства транспортирования.

Список литературы

Теплофизические характеристики пищевых продуктов. /, , М.: Пищевая пром. 1980– 287с. Тепломассообмен – М.:Энергия, 1976,.- 478с. Методы комплексного определения теплофизических характеристик вязких, пастообразных и мелкодисперсных материалов. /, Известия вузов:Пищевая технология.- 1976.-№2.- 138с. Сушка пищевых и растительных материалов. /, , . М.: Пищевая промышленность, 1971, 438с. , Массообменные характеристики пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1982, 279с. Использование изотерм сорбции воды пищевыми продуктами. – Изв. Вузов: Пищевая технология.-1960.-№3.-306с. , Результаты исследования кинетики сушки отходов промышленной переработки плодоовощных продуктов для использования в кормопроизводстве // Матер. 1ой Междун. Конфер.-Ставрополь, 2001.-С. 70-76. Теория и практика сушки термолабильных продуктов микробиологического синтеза, докторская диссертация - МТИПП, 1986.-500с. Кондуктивная сушка. - М.: Энергия, 1973, 287с.