Исследование теплофизических и электрофизических свойств высушенного измельченного жмыха плодов облепихи

Выбор оптимальных параметров процесса получения чистого облепихового масла и его композиций с другими маслами невозможен без знания его теплофизических свойств.

Использование в технологическом процессе энергетического потенциала электромагнитного поля сверхвысокой частоты позволяет добиться его интенсификации, но также требует знания надежных электрофизических свойств обрабатываемого сырья.

Сухой измельченный жмых плодов облепихи представляет собой сложную систему, состоящую из частиц плодовых оболочек и разрушенных семян [1, 2].

В процессе переработки высушенный и измельченный жмых подвергается температурному воздействию с характерным изменением для всех пищевых сред теплофизическими параметрами.

В литературе отсутствуют данные, описывающие теплофизические свойства высушенного измельченного жмыха, полученного из плодов облепихи. Следовательно, необходимо измерить теплофизические свойства. Кроме того, они необходимы в различных исследовательских проектах, при проектировании и разработке новых технологических процессов и устройств, при математическом моделировании и решении задач оптимизации рабочих параметров модернизируемых процессов и оборудования, а также при контроле качества продукции.

Промышленное использование высокоценных соединений облепихи требует разработки и использования экологически чистых, эффективных и устойчивых процессов извлечения масла из сырья с применением различных интенсифицирующих факторов, в том числе электромагнитного поля сверхвысокой частоты [2]. В этом случае характер поведения обрабатываемого жмыха плодов облепихи будет определятся как электрофизическими свойствами сырья, так и условиями его обработки, важнейшими из которых являются давление и температура.

Материалы и методы

Объектами исследований являлся жмых, полученный из плодов облепихи ( Hippophae rhamnoides L. Elaeagnaceae ) сорта «Воробьевская», произрастающей в Центрально-Черноземном регионе Воронежской области, собранной и заготовленной в летне-осенний период 2020 г.

Жмых из плодов облепихи получали следующим образом.

Непосредственно перед получением сырья требуемого состава проводили комплекс мероприятий, включающий инспекцию принятых

Экспериментальное изучение теплофизических и электрофизических свойств высушенного измельченного жмыха плодов облепихи осуществляли при атмосферном давлении.

При измерении осуществляли варьирование значениями температуры жмыха и его влажности в пересчете на абсолютно сухое вещество.

Изучение теплоемкости измельченного жмыха, полученного из высушенных плодов облепихи, проводилось с помощью измерителя теплоемкости ИТ-С-400 ГОСТ 6683 (диапазон температур измерения от минус 100 до 400 °С), обеспечивающего измерение теплоемкости с погрешность не более 10%, включающий измерительную систему на основе конструкции калориметра, снабженного блоком питания и регулировкой скорости изменения температуры. В ходе экспериментов обеспечивался монотонный режим нагрева со средней скоростью 0,1 °С/мин с автоматическим регулированием температуры теплоизолированной оболочки.

Принцип измерения теплоемкости основан на использовании метода равномерного нагрева образца в условиях, максимально приближенных к отсутствию теплообмена с окружающей средой. Тепловой поток от нагревателя передавался кювете с образцом измельченного облепихового жмыха. Теплоизолированная оболочка с нагревателем исключала теплообмен и компенсировала тепловые потери измельченного образца жмыха из облепихи с окружающей средой. Пробный объем измельченного образца жмыха помещали в кювету прибора и герметично закрывали. В ходе эксперимента базовая температура образца увеличивалась по линейному закону путем регулировки электрических характеристик нагревателя устройства [3–5]. Температуру теплоизолированной оболочки и кюветы с измельченным образцом жмыха из облепихи поддерживали постоянными за счет обеспечения непрерывного контроля. Удельную теплоемкость образца определяли косвенно, исходя из задержки изменения температуры между верхним и нижним регистраторами температуры, с учетом объема измельченного облепихового жмыха и постоянных значений прибора.

Коэффициент теплопроводности характеризует теплопроводные свойства измельченного облепихового жмыха и, в отличие от теплоемкости, не является аддитивной функцией, так как зависит не только от химического состава, но и от структуры вещества, а также от направления теплового потока. Коэффициент теплопроводности измельченного жмыха плодов облепихи характеризует его теплоинерционные свойства и его способность проводить теплоту.

Для определения коэффициента теплопроводности использовали метод стационарного теплового потока, заложенный в принцип работы измерителя теплопроводности ИТС-1 ГОСТ 7076, обеспечивающий измерение теплопроводности сыпучих сред в диапазоне 0,02-1,5 Вт/(м*К) с погрешностью 5%.

Принцип измерения теплопроводности основан на создании стационарного теплового потока, проходящего через исследуемый плоский образец. Теплопроводность образца рассчитывалась из значения теплового потока, измеренного электронным блоком, значений температуры противоположных сторон образца с учетом его толщины по специальной формуле, представленной в руководстве по эксплуатации прибора.

Значения величины температуропроводности высушенного измельченного жмыха плодов облепихи определяли расчётным путем, зная величину его плотности по отношению значения теплопроводности жмыха к произведению удельной теплоемкости и плотности, измеренных в одинаковых условиях [6].

Также исследовали зависимость коэффициента диэлектрических потерь высушенного измельченного жмыха облепихи от содержания влаги в нем и температуры. Для этого использовали сравнительный экспресс метод, позволяющий достаточно точно определить коэффициент диэлектрических потерь пищевых сред.

В основе принципа измерения заложено сравнение скорости нагрева образца и эталона одинаковой массы за тот же промежуток времени [7, 8].

Средняя удельная активная мощность за данный промежуток времени, рассеиваемая на единицу объема исследуемого материала в виде тепла в соответствии с законом Джоуля-Ленца, определяется по формуле:

P уд =0,556 • 10 - ¹⁰е" • f • E ² (1)

где Р уд - удельная мощность, Вт/м³; " величина коэффициента диэлектрических потерь; f - частота колебаний электромагнитного поля, Гц; Е - напряженность электромагнитного поля, В/м.

Кроме того, тепловая энергия, генерируемая в материале, может быть рассчитана по формуле:

Q = cm^t , (2) где Q - количество тепла, выделяемого в материале, Дж; с - удельная теплоемкость вещества пробы, Дж/(кг^К); m - масса пробы, кг; A t - перепад температур между конечным и начальным значением пробы, °С.

Приравнивание удельной мощности к количеству тепла, выделяемого в материале из уравнений (1) и (2) и проводя сравнение скоростей нагрева испытуемого вещества и эталона позволяет определить значение коэффициента диэлектрических потерь.

Эксперимент проводился в микроволновой печи Samsung с частотой электромагнитного поля 2450 МГц и максимальной мощностью колебаний 850 Вт. В качестве эталонного вещества использовалась дистиллированная вода. Температуру нагрева эталона и образца контролировали универсальным двухканальным измерителем - контроллером TRM202. Датчиками измерения температуры служили хромель-копелевые термопары с диаметром спая 0,2 мм.

Измерение коэффициента диэлектрических потерь измельченного жмыха облепихи проводилось в диапазоне влажности 7-23%. Облепиховый жмых до определенной влажности сушили в лабораторной конвекционной сушилке «Муссон», осуществляя периодический отбор проб для анализа содержания влаги и определения окончания сушки. Для снятия температурных зависимостей эксперименты проводились при различных температурах в диапазоне 20-60 °С. Для этого высушенный измельченный жмых облепихи предварительно термостатировали в шкафу с автоматическим контролем температуры.

Результаты

Экспериментальные исследования по изучению теплофизических свойств высушенного измельченного жмыха облепихи проводили в трехкратной последовательности. В качестве итогового измеренного значения принимали среднее из трех опытов. Характер изменения удельной массовой теплоемкости, коэффициентов теплопроводности и температуропроводности в зависимости от влажности и температуры представлены соответственно на рисунках 1-3.

Рисунок 1. Изменение величины удельной массовой теплоемкости высушенного измельченного жмыха плодов облепихи в зависимости от температуры t , °С при влажности W^c , %: 1–7,0%; 2–17,5%

Figure 1. Change in the value of the specific mass heat capacity of dried crushed sea buckthorn cake depending on temperature t , ° С at humidity W^c , %: 1 – 7.0%; 2 – 17.5%

Рисунок 2. Изменение коэффициента теплопроводности высушенного измельченного жмыха плодов облепихи в зависимости от температуры t , °С при влажности W^c , %: 1–7,0%; 2–17,5%

Полученные экспериментальные данные обрабатывались на компьютере в среде Microsoft Excel, что в итоге позволило получить следующие зависимости теплофизических свойств жмыха облепихи для температурного диапазона 20–80 °C:

– для коэффициента температуропроводности, а× 10^-6, м²/с:

a = (6,684–0,006 t – 0,068 Wc)10-6;(3)

– для коэффициента теплопроводности, λ, Вт / (м×К):

λ = 0,071 + 0,001 t + 0,004 Wc(4)

– для массовой удельной теплоемкости, с , Дж / (кг×К)

c = 606,045 + 3,765 t + 87,136 Wc(5)

Таким образом, выполненные исследования теплофизических свойств высушенного измельченного жмыха плодов облепихи, представленные на рисунках 1–3 показывают, что массовая удельная теплоемкость, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности в зависимости от температуры носят выраженный линейный характер.

Характер изменения величины коэффициента диэлектрических потерь высушенного жмыха облепихи от влажности и температуры представлены на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 иллюстрирует зависимость изменения коэффициента диэлектрических потерь от влажности жмыха облепихи при температуре 20 °С, 30 °С и 55 °С.

Рисунок 3. Изменение коэффициента температуропроводности высушенного измельченного жмыха плодов облепихи в зависимости от температуры t , °С при влажности W^c , %: 1–7,0%; 2 – 17,5%

Figure 3. Change in the coefficient of thermal diffusivity of dried crushed sea buckthorn cake depending on temperature t , °С at humidity W^c , %: 1 – 7.0%; 2 – 17.5%

Рисунок 4. Изменение величины коэффициента диэлектрических потерь ε″ от влажности W^с , % высушенного жмыха облепихи и температуры t , °C в сверхвысокочастотном поле: 1 – 20 °С; 2 – 30 °С; 3 – 55 °С

Figure 4. Change in the value of the dielectric loss coefficient ε″ from the humidity W^с , % of dried sea buckthorn cake and temperature t , °C in a microwave field: 1 – 20 °C; 2 – 30 °C; 3 – 55 °C

Figure 2. Change in the thermal conductivity coefficient

На рисунке 5 представлены графики температурных зависимостей коэффициента диэлектрических потерь высушенного измельченного жмыха облепихи влажностью 7,0%, 14,0% и 23,0% в пересчете на абсолютно сухое вещество.

Рисунок 5. Изменение величины коэффициента диэлектрических потерь ε″ от температуры t °C в сверхвысокочастотном поле и влажности W^c , % высушенного жмыха облепихи: 1–7,0%; 2–14,0%; 3–23,0% Figure 5. Change in the value of the dielectric loss coefficient ε″ from the temperature t °C in the microwave field and humidity W^c , % of dried sea buckthorn cake: 1 – 7.0%; 2 – 14.0%; 3 – 23.0%

В результате математической обработки экспериментальных данных на компьютере в среде Microsoft Excel было получено эмпирическое уравнение для определения коэффициента диэлектрических потерь ε"измельченного сушеного жмыха облепихи:

ε"= 5,504194 – 0,314878 · t + 0,647321× W^c + + 0,02905 t ²-0,011042 W^{c 2} (6)

Обсуждение

Удельная массовая теплоемкость с увеличением влажности жмыха повышается, поскольку доля воды, имеющая теплоемкость гораздо большую по сравнению с сухим остатком и облепиховым маслом в жмыхе.

Коэффициент теплопроводности жмыха облепихи также повышается с увеличением влажности жмыха, вследствие снижения плотности и замещения воздуха в капиллярах сухого остатка молекулами воды.

Скорость прогревания жмыха облепихи также зависит от содержания влаги в нем. Исследования показали, что значения коэффициента температуропроводности для жмыха, имеющего меньшую влажность выше чем для более увлажненного образца.

Установлено, что для всех проведенных измерений величина удельной массовой теплоемкости, коэффициенты теплопроводности и температуропроводности в большей степени зависят от содержания влаги в жмыхе, чем от температуры.

Как видно из рисунка 4, величина коэффициента диэлектрических потерь во многом зависит от влажности, т. е. вода играет важную роль в процессе поглощения энергии при нагреве диэлектрика, а также от содержания масла в жмыхе. Нелинейная зависимость коэффициента диэлектрических потерь от влажности обусловлена разнообразием форм связывания влаги в частицах облепихового жмыха.

При увеличении влажности до 14% наблюдается резкое увеличение коэффициента диэлектрических потерь. Этот диапазон содержания влаги соответствует адсорбционно связанной влаге с высокой энергией удерживания.

В диапазоне влажности от 14 до 23% произошло небольшое увеличение коэффициента диэлектрических потерь с 4,4 до 8,2. Объясняется это тем, что с увеличением количества свободной влаги (макрокапиллярной влаги) при минимальной энергии связи относительная доля прочно связанной влаги в исследуемом материале уменьшается в общем оставшемся объеме.

Согласно данным рисунка 5 уменьшение значения коэффициента диэлектрических потерь с повышением температуры измельченного жмыха облепихи можно объяснить суммарным эффектом увеличения колебаний молекул с повышением температуры, а также активной миграции и перераспределения воды и молекул масла в капиллярах. При нагревании из жмыха удаляется некоторое количество влаги, а масло остается, но поскольку коэффициент диэлектрических потерь его меньше, чем у воды, снижение общего коэффициента диэлектрических потерь протекает не настолько интенсивно. Проводится детальный анализ полученных данных в сопоставлении с данными литературы, что служит обоснованием выводов и заключений авторов.

Заключение

В результате эксперимента было установлено, что зависимость теплофизических характеристик измельченного высушенного жмыха из облепихи в исследованном температурном диапазоне имеет линейный характер. При этом было отмечено, что на изменение исследуемых характеристик больше влияет влажность жмыха, чем температура.

Измельченные частицы облепихового жмыха представляют собой твердый диэлектрик, диэлектрические свойства которого определяются наличием влаги и радикалов жирных кислот, входящих в состав масла, содержащегося в частицах: пальмитиновой, олеиновой и линолевой.

Характер изменения коэффициента диэлектрических потерь в большей степени зависим от содержания влаги в жмыхе. При этом вид кривых позволяет качественно оценить влияние влаги с различной формой связи с материалом на изменение диэлектрических свойств [9, 10–20].

Таким образом, полученные эмпирические данные теплофизических и электрофизических свойств высушенного измельченного жмыха плодов облепихи позволит создать необходимые условия для успешного проектирования новых производственных процессов, а также разработки и внедрения инновационных образцов технологического оборудования и управления им.