Комплексное исследование тепловлажностных свойств влагосодержащих материалов при температурах: -60...80)°C тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Тамбулатова, Екатерина Викторовна

• Тамбулатова, Екатерина Викторовна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тамбулатова, Екатерина Викторовна

Перечень сокращений и условных обозначений, символов и единиц измерений.

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса.

1.1. Тепловые и влажностные характеристики влагосодержащих материалов

1.2. Существующие методы исследования тепловых свойств влагосодержащих материалов.

1.3. Существующие методы исследования влажностных характеристик материалов.

1.4. Типовые графики теплофизических характеристик влагосодержащих материалов.

1.5. Выводы и задачи исследования.

Глава 2. Метод комплексного исследования тепловлажностных свойств.1.

2.1. Физические основы метода.

2.2. Исходные расчетные формулы.

2.3. Тепловая модель метода. 2.4. Математическая модель ячейки.

2.5. Расчетные формулы.

2.6. Поправки к расчетным формулам на начальной стадии опыта

2.7. Анализ двухмерного температурного поля образца, находящегося в металлическом стакане'.

2.8. Методика определения влажностных характеристик влагосодержащих материалов.

2.9. Выводы по главе.

Глава 3. Экспериментальный стенд для комплексного исследования тепловлажностных свойств влагосодержащих материалов в условиях их замораживания и размораживания.

3.1. Общая характеристика экспериментальных установок.

3.2. Описание экспериментального стенда.

3.3. «Антиконвекционная» вставка для измерения теплопроводности и температуропроводности жидкостей.

3.4. Алгоритм проведения эксперимента.

3.5. Обработка экспериментальных данных.

3.5.1. Программное обеспечение.

3.5.2 Алгоритм расчета теплофизических характеристик исследуемых образцов с указанием соответствующих столбцов рабочего листа

3.5.3. Алгоритм расчета удельной энтальпии исследуемых образцов с указанием соответствующих столбцов рабочего листа.

3.6. Методика градуировки экспериментального стенда.

3.7. Результаты метрологической проверки стенда на веществах с известными теплофизическими свойствами.

3.8. Расчет тепловлажностных характеристик образца.

3.9. Выводы по главе.

Глава 4. Результаты исследований тепловлажностных характеристик влагосодержащих материалов.

4.1. Объекты животного происхождения.

4.2. Объекты растительного происхождения.

4.3. Водные растворы сахарозы.

4.4. Песчаные и глинистые грунтовые породы.

4.5. Результаты исследований теплофизических свойств скальных пород

4.5. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексное исследование тепловлажностных свойств влагосодержащих материалов при температурах: -60...80)°C»

Актуальность работы. Экономические реформы в нашей стране требуют дальнейшего освоения важнейших отраслей индустрии, в том числе пищевой и строительной промышленностях.

В пищевой промышленности приходится интенсивно развивать холодильную технологию, которая отвечает за сохранение скоропортящихся пищевых продуктов с помощью холода и его использования при их промышленном производстве. На современном этапе развития пищевой индустрии роль холода неуклонно возрастает, особенно в области консервирования сырья и продуктов питания, ассортимент которых непрерывно увеличивается.

Теплофизические процессы занимают в холодильной технологии одно из ведущих мест, поскольку ее основу составляет регулирование температуры пищевых продуктов, непосредственно влияющей на их качество. Проблема управления тепловыми потоками и температурными полями, являясь в основе своей чисто теплофизической задачей, остается главной во всех процессах холодильной технологии пищевых продуктов - при их охлаждении, подмораживании, замораживании, отеплении и размораживании.

При холодильном хранении продуктов решается проблема создания и поддержания рациональных температурного и влажностного режимов воздуха внутри камер хранения, так как только при этом обеспечивается сохранность качества и минимальные естественные потери (усушка). Следовательно, выбор технических средств для поддержания оптимальных технологических параметров в камерах хранения, является преимущественно тепло-физическим вопросом, без рассмотрения которого нельзя прийти к правильным инженерным решениям.

Явления, происходящие непосредственно в самих продуктах при холодильном консервировании, во многих случаях также оказываются теплофи-зическими. Примером этого являются: изменения теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности при замораживании; особенности кристаллизации влаги; миграция влаги и распределение кристаллов льда в тканях; медленно протекающая перекристаллизация льда в замороженных продуктах при их хранении и целый ряд других явлений.

В холодильной технологии тепло физические процессы при холодильной обработке и хранении рассматриваются неразрывно с биохимическими, микробиологическими и биофизическими процессами, направленность протекания которых в каждом конкретном случае определяется индивидуальными особенностями каждого вида продукта, как растительного, так и животного происхождения. Это, б свою очередь, определяет многообразие процессов и технологических режимов холодильного консервирования пищевых продуктов.

В строительной промышленности теплофизические процессы также играют важную роль, особенно при возведении различных инженерных сооружений в районах с ветаой мерзлотой. На территории России, особенно в ее восточных областях, широко распространены многолетнемерзлые породы. В настоящее время там активно расширяется строительство инженерных сооружений, разрабатываются энергосберегающие технологии добычи нефти, газа и других полезных ископаемых, прокладываются сложные системы их транспортировки.

Мерзлые и вечномерзлые грунты, вследствие наличия в них льдо-цементных связей, при сохранении отрицательной температуры являются достаточно прочными и устойчивыми природными образованиями. Однако при повышении и понижении их температуры (даже в области отрицательных значений температур) происходят существенные изменения теплофизи-ческих и механических свойств таких грунтов. Более того, их физико-механические свойства проявляют гистерезисные черты, «запоминая» свою температурную предысторию. Так, при оттаивании порового льда структурные льдо-цементные связи в грунте лавинно разрушаются, поэтому в нем возникают значительные деформации. А сильно льдистые вечномерзлые грунты при пылеватом и глинистом их составе при оттаивании становятся разжиженными массами, превращая в непроходимое месиво дороги.

В сооружениях, возводимых на вечномерзлых грунтах без принятия особых мер, при оттаивании грунта возникают совершенно недопустимые деформации, затрудняющие их эксплуатацию и даже приводящие к полному разрушению сооружений. Таким образом, при разработках теоретических предпосылок и практических приемов устойчивого строительства сооружений на вечномерзлых грунтах приходится учитывать специфику каждого конкретного района вечномерзлых грунтов. Для этого следует предварительно детально изучать теплофизические и механические свойства замерзающих, мерзлых и оттаивающих зрунтов, чтобы опираться на них при анализе тепловых и механических процессов, протекающих в грунте под влиянием природных факторов и его тепловом взаимодействии с устанавливаемыми сооружениями.

Опыт показывает, что теплофизические свойства пищевых продуктов и грунтовых пород самым тесным образом связаны с их влагосодержанием. Так, например, в пищевой промышленности влажность сырья и полуфабрикатов оказывает большое влияние на качество продукции и производительность оборудования. В строительстве от влажности зависят основные свойства используемых материалов, теплозащитные и прочностные характеристики строительных сооружений, конструкций и ограждений и, следовательно, их долговечность, надежность и другие эксплуатационные качества. Поэтому при изучении теплофизических свойств пищевых продуктов и грунтовых пород очень важно иметь возможность, одновременно регистрировать изменение влажности образцов.

Имеющиеся в настоящее время данные по теплофизическим свойствам влагосодержащих материалов представляются недостаточными, а средства их измерения несовершенными. Для более полного удовлетворения- промышленности необходимо проводить комплексное исследование всех тепловлажностных характеристик в одном опыте и на одном образце, особенно в циклических процессах их замораживания и оттаивания.

Целью настоящей работы является: экспериментальное исследование комплекса теплофизических и влажностных свойств влагосодержащих материалов (пищевых продуктов, грунтовых и горных пород, водных растворов) в условиях их замораживания и размораживания, включая зону фазовых превращений, в диапазоне температур (-60. 80) °С.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Аналитически обосновать метод исследования тепловлажностных свойств образцов цилиндрической формы при их замораживании и размораживании в широкой области температур.

2. Разработать теплоизмерительную ячейку, обеспечивающую исследование твердых, рыхлых, пастообразных и жидких материалов.

3. Разработать алгоритм компьютерной обработки экспериментальных данных опыта.

4. Провести систематизированные исследования тепловлажностных свойств разнообразных групп пищевых продуктов, водных растворов сахарозы, грунтовых и горных пород.

Научную новизну в настоящей работе составляют:

1. Обоснование возможности исследования тепловлажностных свойств материалов в динамическом режиме охлаждения-нагрева.

2. Результаты теплового анализа теплоизмерительной ячейки.

3. Методики проведения измерений и обработки экспериментальных данных при изучении свойств веществ с резкими структурными и фазовыми превращениями.

4. Результаты комплексных исследований энтальпии, теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности, интегральной и дифференциальной теплоты фазовых превращений, криоскопической температуры и доли невымороженной влаги группы пищевых материалов, водных растворов сахарозы, грунтовых пород и образцов глубинного бурения;

5. Тепловые эффекты и гистерезисные явления свойств влагосодержа-щих материалов при их замораживании и оттаивании.

Практическая значимость работы заключается в получении необходимых данных о тепловлажностных свойствах влагосодержащих материалов, необходимых для расчетов технологических процессов 'в пищевой промышленности, при инженерных расчетах, проводимых при строительстве инженерных сооружений и т. д. и подтверждена актами о внедрении созданных образцов экспериментальных установок в ОАО «Фундаментпроект» (г. Москва), в учебном процессе МГУ им. М.В. Ломоносова и СПбГУНиГГГ. Исследования керновых образцов горных пород выполнялись по; заказу ОАО; «Уральский научно-исследовательский и: проектный институт галургии» (г. Березники, Пермский край). Образцы, водных растворов сахарозы, а также пищевые продукты растительного и животного происхождения были предоставлены для измерения тепловлажностных характеристик сотрудниками1 СПбГУНиПТ.

Апробация.работы и публикации.

Основные материалы и результаты работы опубликованы в 13 научных статьях, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ: Основное содержание диссертации доложено на следующих конференциях: 1) ХХХ1У-ХХХУ11 научн.-практ. конф. профессорско-преподавательского состава СПбГУНиПТ, СПб; 2) XI научно-техническая конференция «Теория и методы замораживания грунтов», СПб, 25- 27 ноября 2008 г.; 3) X Международная конференция молодых ученых «Пищевые* технологии и биотехнологии», г. Казань, 12—15 мая 2009 г.; 4) II Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов, и молодых ученых Технологии и-оборудование химической; биотехнологической и пищевой промышленности, г. Бийск 14—15 мая 2009 г.; 5) II Международная научно-практическая ' конференция «Криотерапия в России», СПб, 14 мая 2009 г.;

6) IV Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке; 7) XI конференция стран Содружества «Современный физический практикум», г. Минск, 12-14 октября 2010 г.; 8) Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ», СПб, 30 ноября -2 декабря 2010 г.

По результатам исследований автором выигран конкурс молодых ученых, проводимый Комитетом по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга.

Объем работы. Работа содержит 117 страниц машинописного текста, 109 рисунков, 7 таблиц, 108 наименований библиографического указателя, 3 приложения.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Тамбулатова, Екатерина Викторовна

4.5. Выводы по главе

Получены в комплексе новые данные об энтальпии, теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности и дифференциальной теплоте фазовых превращений разнообразных пищевых продуктов, грунтовых и горных пород, а также водных растворов сахарозы. В процессе исследований было обнаружено, что у большинства влагосодержащих материалов отчетливо прослеживается гистерезисный характер их тепловых свойств и проявляется эффект переохлаждения содержащейся в них как свободной, так и связанной влаги.

137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Аналитически обоснован динамический метод исследования тепло-влажностных свойств образцов цилиндрической формы при их замораживании и размораживании в широкой области температур в зонах резкого изменения свойств.

2. Получены в комплексе новые данные об энтальпии, теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности и дифференциальной теплоте фазовых превращений разнообразных пищевых продуктов, грунтовых и горных пород, а также водных растворов сахарозы.

3. Выявлено, что у большинства влагосодержащих материалов отчетливо прослеживается гистерезисный характер их тепловых свойств, что свидетельствует о необратимости медленно протекающих в них процессов.

4. Определены криоскопические температуры разнообразных влагосодержащих материалов.

5. Показано, что во всех увлажненных материалах при замораживании проявляется эффект переохлаждения содержащейся в них как свободной, так и связанной влаги, который может достигать (3.7) К, после чего образец в течение нескольких секунд во всем своем объеме резко повышает температуру до своего устойчивого криоскопического уровня.

6. Найдены зависимости теплофизических характеристик водных растворов сахарозы от концентрации.

7. Создан универсальный измерительный стенд, позволяющий исследовать комплекс тепловлажностных характеристик образцов как функций температуры в диапазоне (-60.80) °С. Стенд обеспечивает определение теплоемкости образца с погрешностью 5 %, теплопроводности и температуропроводности — 7 %.

8. Результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе СПбГУНиПТ при подготовке бакалавров и магистров по направлениям подготовки 140400 «Техническая физика», 140500 «Энергомашиностроение», 260100 «Технология продуктов питания».

138

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тамбулатова, Екатерина Викторовна, 2010 год

1. Siebel I. Specific heat of various products. Ice and Refrigeration, vol. 2, №4, 1982. P. 256-257.

2. Thermothysical and rheological properties of food: Meat, meat products and semiproducts / Ing. Milan Houska, Ing. Miloslav Adam and others. -Prague: Institute of Agricultural and Food Information Prague, 1997. — 285 p.

3. Thermothysical and rheological properties of food: Milk, milk products and semiproducts / Ing. Milan Houska, Ing. Miloslav Adam and others. -Prague: Institute of Agricultural and Food Information Prague, 1997. -199 p.

4. Van den Berg C., Bruin S. Water activity and estimation in food systems-Whater Activity, Academic Press, 1981. P. 2 43.

5. Головкин H.A. Тепловые показатели охлажденного и мороженного мяса. Мясная индустрия СССР, №11, 1938, с. 25 28.

6. Головкин H.A. Физические и биохимические изменения в мясе во время его охлаждения и хранения. Труды Ленинградского технологического института холодильной промышленности, 1954. Т. 5.1. С. 69-77.

7. Головкин H.A., Чижов Г.Б. Холодильная технология пищевых продуктов. М.: Издательство торговой литературы, 1963. 240 с.

8. ГОСТ 5180-84. Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик.

9. Дубицкий Л.Г. Радиотехничеснкие методы контроля изделий. М., Машгиз, 1963.2у Емельянов В.А. Полевая радиометрия влажности и плотности почво-грунтов. М., Атомиздат, 1970.28