Исследование теплофизических характеристик зерна проса, высушенного в аппарате с закрученными потоками теплоносителя и СВЧ-энергоподводом

Исследование теплофизических характеристик продукта является важной составляющей для научного обоснования процесса сушки, а также создания нового сушильного оборудования или адаптации к уже существующим аппаратам [1]. В качестве объекта исследования нами было выбрано зерно проса, как обладающее повышенными физико-химическими показателями [2]. Сушка производилась в разработанном на кафедре МАПП Воронежского государственного университета инженерных технологий аппарате с закрученными потоками теплоносителя и СВЧ-энергоподводом [3, 4].

• 1.1    Материалы и методы

При определении теплофизических характеристик, таких как удельная теплоёмкость с , Дж/(кг⋅К), коэффициент температуропроводности а , м²/с, коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м⋅К), использован метод разработанный В. С. Волькенштейн, основанный на решении задачи теплопроводности для начальной стадии процесса, а именно метод двух температурно-временных точек.

Определение теплофизических характеристик зерна проса производилось на установке Cossfield RT-1394Н.

Метод, применяемый в данной установке, заключается в исследовании ограниченного (пищевой продукт) и полуограниченного (эталон) тел, которые приводятся в соприкосновение по одной общей плоскости. Нагреватель, нагретый до постоянной температуры, приведён в соприкосновение с продуктом и передаёт постоянный поток теплоты, который проходит через толщину пищевого продукта с различной скоростью. В результате температура в плоскости соприкосновения пищевого продукта с эталоном изменяется и записывается на диаграмме потенциометра в виде кривой, по которой можно определить время и изменение температуры.

Начальная температура продукта и эталона в течение всего опыта поддерживалась постоянной. Эталон с сечением 70 x 70 мм и длиной 150 мм изготовлен из органического стекла и имеет следующие характеристики: а э = 15,7 м²/с, Л э = 0,1839 Вт/м - К, с э = 10,88 Дж/кг - К, р э = 1075 кг/м³.

Во время эксперимента фиксируется время Т 1 и Т 2 , в течение которого температура на границе раздела эталонного тела и исследуемого образца достигнет заданного значения ЛТ и ЛТ 2 соответственно, разница при этом в нашем эксперименте составляла 20 К.

Управление ходом эксперимента и обработка измерительной информации осуществляется посредством виртуального прибора, разработанного в LabView 7.0.

Температуропроводность и теплопроводность определяются по эмпирическим формулам, полученным из решения системы дифференциальных уравнений, составленных для системы двух тел, в одно из которых входят неизвестные теплофизические характеристики [5]. Относи- тельно этих характеристик решается система уравнений, включающая параметры проведённого опыта. Так как исследуемые два тела соприкасаются по одной общей плоскости, то по принципам математической физики можно составить два дифференциальных уравнения с едиными начальными и граничными условиями первого рода, обусловленных параметрами проводимого опыта [6, 7].

Температуропроводность, Вт/(м-К) иссле- дуемого образца пищевого продукта определя- ется по эмпирической формуле

= _Л ¹ ~ h а м мэ     ,

1 + h\ а э

где Лм, ам; Лэ, а3 - соответственно теплопроводность и температуропроводность образца исследуемого пищевого продукта и эталона; h – вспомогательная величина, определяемая по формуле:

h =

t - 1 1, « г, [ 1 - Ф ( -- ') ]

где t" - температура в плоскости соприкосновения образца продукта и эталона, определяемая по полученной диаграмме, ºС; t гр – температура греющей поверхности, определяемая по полученной диаграмме аналогично, °С; Ф(z") - функция Гаусса.

Удельная теплоёмкость пищевого продукта, Дж/(кг - К) определяется по зависимости:

с м = ^Л м / ( ^ам Р м ) ,              ⁽³⁾

где р м - плотность пищевого продукта, кг/м³.

• 1.2    Результаты и обсуждение

Зависимости теплофизических характеристик зерна проса представлены на рисунках 1–6.

Данные эксперимента были обработаны при помощи программной среды «Table Curve 3D», позволяющей получить зависимости 4–6 теплофизических характеристик от влагосодержания в интервале 13,6–35,1% и диапазоне температур 293–373 К.

а = 250,12 - 76,69 - Ln T + 0,58 - W₀ ^C + 6 - ( Ln T )²; (4)

Л =(0,17 + 1,23 - T + 1,95 - W ₀ ^{C 2} )/(1 + 7,18 - T ²); (5)

c = 28433,55 - 260,19 - T - 142,96 - W ₀ ^C + + 0,8 - T ² - 1,06 - W₀^{C 2} + 1,05 - T - W₀^C

Рисунок 1. Зависимость коэффициента теплопроводности λ , Вт/(м⋅К), от влажности при: 1 – T = 293 K; 2 – T = 313 K; 3 – T = 333 K; 4 – T = 353 K; 5 – T = 373 K

Рисунок 4. Зависимость коэффициента температуропроводности α∙10⁸, м²/с, от температуры при: 1 – W 0 ^c = 13,6%; 2 – W 0 ^c = 23,5%; 3 – W 0 ^c = 35,1%

• Figure 1.    The dependence of the thermal conductivity λ ,

W/(m⋅K), from the humidity: 1 – T = 293 K; 2 – T = 313 K;

Рисунок 2. Зависимость коэффициента теплопроводности λ, Вт/(м⋅К), от температуры при: 1 – W 0 ^c = 13,6%; 2 – W 0 ^c = 23,5%; 3 – W 0 ^c = 35,1%

• Figure 2.    The dependence of the thermal conductivity λ , W/(m⋅K), at a temperature from: 1 – W 0 ^c = 13,6%;

Рисунок 3. Зависимость коэффициента температуропроводности α ∙10⁸, м²/с, от влажности при: 1 – T = 293 K;

2 – T = 313 K; 3 – T = 333 K; 4 – T = 353 K; 5 – T = 373 K

• Figure 3.    The dependence of the thermal diffusivity coefficient α ∙10⁸, m²/s, from humidity: 1 – T = 293 K; 2 –

T = 313 K; 3 – T = 333 K; 4 – T = 353 K; 5 – T = 373 K

• Figure 4.    The dependence of the thermal diffusivity α∙10⁸ m²/s, at a temperature from: 1 – W 0 ^c = 13,6%; 2 – W 0 ^c = 23,5%; 3 – W 0 ^c = 35,1%

Рисунок 5. Зависимость коэффициента удельной теплоёмкости с , Дж/(кг⋅К) от влажности при: 1 – T = 293 K;

2 – T = 313 K; 3 – T = 333 K; 4 – T = 353 K; 5 – T = 373 K

• Figure 5.    The dependence of the specific heat coefficient с , J/(kg⋅K), from humidity: 1 – T = 293 K; 2 – T = 313 K;

3 – T = 333 K; 4 – T = 353 K; 5 – T = 373 K

Рисунок 6. Зависимость коэффициента удельной теплоёмкости с, Дж/(кг⋅К) от температуры при: 1 – W 0 ^c = 13,6%; 2 – W 0 ^c = 23,5%; 3 – W 0 ^c = 35,1%

• Figure 6.    The dependence of the specific heat coefficient с , J/(kg⋅K), at a temperature from: 1 – W 0 ^c = 13,6%; 2 – W 0 ^c = 23,5%; 3 – W 0 ^c = 35,1%

В ходе обработки экспериментальных данных выявлено, что теплофизические характеристики (коэффициент температуропроводности, коэффициент теплопроводности и удельная теплоёмкость) имеют линейный характер.

С увеличением температуры значение коэффициента температуропроводности снижается, а коэффициент теплопроводности