Комплексное исследование тепловлажностных свойств влагосодержащих материалов при температурах

Тамбулатова, Екатерина Викторовна

Комплексное исследование тепловлажностных свойств влагосодержащих материалов при температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Тамбулатова, Екатерина Викторовна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Комплексное исследование тепловлажностных свойств влагосодержащих материалов при температурах»

Автореферат диссертации на тему "Комплексное исследование тепловлажностных свойств влагосодержащих материалов при температурах"

004612788

На правах рукописи УДК 536.2; 536.63

ТАМБУЛАТОВА ЕКАТЕРИНА ВИКТОРОВНА

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫХ СВОЙСТВ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ (-60.. .80) °С

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

1 8 НОЯ 2010

2010

004612788

Работа выполнена на кафедре физики в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий»

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Шатунов Евгений Степанович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шарков Александр Васильевич кандидат технических наук Никитин Андрей Алексеевич

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева», Санкт-Петербург

Защита состоится " 0 "

2010 г. в /У часов на заседании диссертационного Совета Д 212.234.01 при Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, СПбГУНиПТ Тел./факс: (812)315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " СУОЛ^-С 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук, профессор — Рыков В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Влагосодержащие материалы играют в жизни каждого человека очень важную роль. Достаточно упомянуть, что ими являются все объекты растительного и животного происхождения, пищевые продукты, почва и все грунтовые породы. Их теплофизическая уникальность обусловлена тем, что капиллярная влага при фазовых превращениях (плавление и кристаллизация, конденсация и испарение) резко изменяет все физико-механические свойства влагосодержащего материала. Поэтому конкретные сведения о физико-механических и, в частности, тепловлажностных свойствах таких объектов оказываются важными для многих отраслей. Особенно это относится к пищевой и строительной промышленностям, в которых такие материалы подвергаются климатическим и технологическим температурным воздействиям.

Так, в пищевой промышленности важное место занимают разнообразные холодильные технологии, обеспечивающие сохранность и качество скоропортящихся продуктов. Для их совершенствования важно знать весь комплекс тепловлажностных характеристик продукта, учитывать в них особенности кристаллизации и миграции влаги, распределение микрокристаллов льда в тканях продукта и целый ряд других, часто необратимых явлений. Иллюстрацией являются гистерезисные изменения теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности при замораживании и размораживании.

В строительной промышленности особый интерес представляют физико-механические свойства грунтовых пород. На территории России, особенно в ее восточных и северных областях, широко распространены многолетнемерзлые породы. Мерзлые и вечномерзлые грунты при сохранении отрицательной температуры обычно являются достаточно прочными и устойчивыми природными образованиями. Однако при повышении и понижении их температуры (даже в области отрицательных значений температур) происходят существенные изменения теплофизических 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 фунты при пылеватом и глинистом их составе при оттаивании становятся разжиженными массами, превращая дороги в непроходимое месиво.

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 работы являлось экспериментальное исследование комплекса те-плофизических 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 тепло влажностных 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.

Новизну работы составляют и выносятся на защиту следующие результаты и положения:

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 невымо-роженной влаги группы пищевых материалов, водных растворов сахарозы, грунтовых пород и образцов глубинного бурения;

5. Тепловые эффекты и гистерезисные явления свойств влагосодержащих материалов при их замораживании и оттаивании.

Практическая ценность 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 СПбГУНиПТ. 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 расти-

тельного и животного происхождения были предоставлены для измерения теп-ловлажностных характеристик сотрудниками СПбГУНиПТ.

Личный вклад: проектирование теплоизмерительных ячеек; разработка устройства для устранения конвекции при изучении свойств жидкостей; разработка методик проведения опыта при последовательном замораживании и размораживании образца, обработки экспериментальных данных опыта, градуировки теплоизмерительной ячейки и анализ ее метрологических возможностей в режимах замораживания и размораживания образцов; проведение комплексного измерения тепловлажностных характеристик пищевых продуктов, грунтовых игорных пород, а также водных растворов сахарозы в области температур (-60...80) °С.

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: XXXIV-XXXVII научн.-практ. конф. профессорско-преподавательского состава СПбГУНиПТ, СПб; XI научно-техническая конференция «Теория и методы замораживания грунтов», СПб, 25-27 ноября 2008 г.; X Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», г. Казань, 12-15 мая 2009 г.; 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.; II Международная научно-практическая конференция «Криотерапия в России», СПб, 14 мая 2009 г.; IV Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке; XI конференция стран Содружества «Современный физический практикум», г. Минск, 12-14 октября 2010 г.; Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ», СПб, 30 ноября -2 декабря 2010 г.

По результатам исследований автором в 2009 г. выигран конкурс молодых ученых, проводимый Комитетом по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (108 наименований) и 3 приложений. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 109 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В середине прошлого века для исследования теплофизических свойств дисперсных материалов широко использовались линейные методы, разработанные Г. М. Кондратьевым, А. В. Лыковым, А. Ф. Чудновским и их учениками, позднее они пополнились большой группой нелинейных динамических методов и приборов, разработанных Е. С. Платуновым, В. В. Курепиным и С. Е. Бура-вым. Динамические методы позволили изучать теплофизические свойства ма-

териала как функции температуры. В последние годы И. В. Баранов, С. С. Прошкин и А. А. Никитин показали, что режим разогрева и охлаждения образцов слабо меняющимся внешним тепловым потоком можно использовать для изучения тепловлажностных характеристик пастообразных пищевых продуктов, проводя опыты в условиях замораживании и размораживании, где их свойства претерпевают резкие температурные изменения и проявляют гистере-зисность. Именно этот общий подход развит в данной работе для изучения тепловлажностных свойств любых влагосодержащих материалов (твердых, рыхлых, пастообразных и жидких). Для этого пришлось провести анализ температурных полей образцов простейшей формы и выбрать цилиндрическую в качестве оптимальной для изучения влагосодержащих материалов, разработать новую теплоизмерительную ячейку (рис. 1), увеличив в ней объем образцов (до50... 100 см3), изменить конфигурацию тепловых и температурных полей в образце, расширить температурную зону измерений от минус 60°С до 80°С, создать универсальный измерительный стенд (рис. 2), включив в его состав двухкаскадную морозильную камеру, лабораторную печь, специальный тепло-физический контролер и три массивных блока.

Блоки выполняют функции трех изотермических сред с температурами морозильной камеры, лабораторной печи и комнаты, соответственно. Образцы перед опытом размещаются в металлическом стакане. Контроллер создан по техническому заданию автора и предназначен для автоматизированного управления опытом и сбора его экспериментальной информации.

Теплоизмерительная ячейка (рис. 1) является основным функциональным звеном установки. В ней размещаются термодатчики, тепломерный узел и сменный стакан с образцом. В совокупности с тремя массивными металлическими блоками и контроллером она обеспечивает заданные режимы замораживания и размораживания исследуемых образцов. Ячейка выполнена в виде многослойного сосуда, состоящего из двух вмонтированных друг в друга металлических стаканов 2 и 4, разделенных теплоизоляционной прослойкой 3. В опыте наружный стакан 2 контактирует поочередно через теплоизоляционную прослойку 11 с одним из массивных металлических блоков 1. Стакан 5 с образ-

Рис. 1.

Рис. 2.

цом 9 закрывается металлической крышкой 7 и вставляется в полость внутреннего стакана 4. Стаканы 4,5 и крышка 7, благодаря хорошему тепловому контакту, остаются изотермическими. На теплоизоляционное кольцо 6 в опытах устанавливается теплозащитный колпак Рабочие спаи термодатчиков размещаются так, как показано на рисунке, и регистрируют соответственно температуры оболочек (¿¡(т), ¿2 (т)) и центральной зоны образца (¿з(т)).

Тепловая модель ячейки с образцом в виде сплошного короткого цилиндра показана на рис. 3. В ее состав входят: образец 1, металлические оболочки 2, 4, теплоизоляционные прослойки 3, 5. Прослойка 3 является чувствительным элементом градиентного тепломера, а прослойка 5 оптимизирует интенсивность охлаждения или нагрева всей ячейки и образца в среде 6. Рис. 4 отражает особенности распределения температуры в основных звеньях ячейки при ее охлаждении.

Рис. 3.

Рис. 4.

Расчетные соотношения для удельной теплоемкости с((), теплопроводности температуропроводности а(7) и энтальпии /г(/) исследуемого образца были получены при теоретическом анализе температурных полей и выбранных ограничений на режим опыта и имеют вид:

М\Ьу{х)\ 4|30;я(т)|

Жт)]=^)1Мх)1-сяЫМт)[ (3)

4и^о,я(т)|

1 1 Ш. '(*!)]= тт] £[*т('2) |9т(Т)| ДТ ] - С^ШхУф^)}

(2)

(4)

где КТ (¿2 ) - тепловая проводимость тепломера; Ся (¿2) — теплоемкость ядра; М,Я,Ь- масса, радиус и высота образца, соответственно; Эт(т) - перепад температуры на тепломере; 9о,я(г) ~~ радиальный перепад температуры в образце; Ъу{т) - скорость изменения среднеобъемной температуры образца; Т1 -момент времени, соответствующий началу обработки результатов опыта; Ат - проме-

жуток времени между соседними измерениями (шаг опыта). Параметры 2), Ся(^) являются «постоянными» ячейки.

Относительная влажность образца и доля невымороженной влаги определяются посредством сравнительного анализа графика удельной энтальпии образца и прямых, характеризующих изменение энтальпии , /?2 замороженного и размороженного образца (рис. 5).

Помимо общего теплового анализа ячейки в диссертации были учтены поправки на начальную стадию опыта и влияние дна стакана на цилиндрическое температурное поле образца. Поправочные соотношения на начальную стадию справедливы при 0,1<Ро<0,5. Анализ влияния дна стакана показал, что в верхней зоне образца Нсп, отстоящей от дна на величину его радиуса, температурное поле сохраняется одномерным цилиндрическим (рис. 6). Это ограничение учитывалось при установке центрального термодатчика.

2Я

Н„

Рис. 5. Рис. 6.

Другая важная особенность проявляется, когда в ячейке исследуются жидкости, обладающие низкой вязкостью. Для комплексного исследования ТФХ жидких образцов разработана «антиконвекционная» вставка щелевого типа. Ее внешний вид представлен на рис. 7. Вставка состоит из набора полимерных дисков толщиной 0,2 мм, насаженных на полимерную трубочку с шагом примерно 2 мм. В щелях вставки конвекция в образцах не проявляется, т. к. выполняется условие вгРг = 200 <1000. Опыты с водой подтвердили это утверждение. Так, без вставки измеренная теплопроводность воды превышала табличное значение в несколько раз, а со вставкой - практически совпадала с ним. Результаты контрольных опытов с водой показаны на рис. 8.

рубочка

Вт/(м-К).

\: : —п / :

Крышка Полимерные диски

Рис. 7.

20 Л°С

Процедура проведения опытов. Режим замораживания образца. В сменный дюралевый стакан (рис. 7) заправляется исследуемый образец и помещается в гнездо теплоизмерительной ячейки. Ячейка размещается на торцевой поверхности металлического блока, находящегося при комнатной температуре. В память контроллера вводятся исходные параметры опыта (масса образца М, число измерений Л7, интервал между измерениями Дт и температура холодных спаев ¡к). Рабочие концы термопар № 2 и № 3 устанавливаются так, как показано на рис. 2. Затем ячейка переносится оператором в морозильную камеру на заранее охлажденный блок, после чего контроллер берет управление опытом всецело на себя, регистрируя через заданный интервал времени (шаг) показания термодатчиков и фиксируя их в своей памяти. После завершения опыта оператор по специальной программе переносит всю полученную информацию в компьютер. Для перехода к опыту в режиме размораживания следует вынуть тепловую ячейку из морозильной камеры и установить ее на металлический блок, который находится на рабочем столе или же в лабораторной печи. После этого оператор вновь включает контроллер и запускает новый опыт, сохраняя прежние установки.

Алгоритм расчета ТФХ. Обработка экспериментальных данных проводилась на персональном компьютере по следующему алгоритму: 1) расчет температур каждого датчика (т) = гк + л£г(т), где г=1, 2, 3 - номера датчиков;

2) расчет среднеобъемной температуры образца /кСО-О-^М+'зСО];

3) расчет перепадов температур на тепломере 9Т(Т) = ?1(Т)_?2('С) и в образце ЗобрСО^М-'зСО; 4) определение скорости изменения температур внутреннего стакана = и среднеобъемной температуры образца = 5) вычисляются суммарный поток, проникающий через тепломер ?т(т,)=^Гт[/2(',:)]Зт('с), и тепловой поток, который поглощается или выделяется ядром ячейки qя{x)=Cя\t2{^)\b\{^). Затем с помощью выражений (1)-{3) определяют теплоемкость с, теплопроводность X и температуропроводность а образца, соответственно. Для расчета удельной энтальпии используется выражение (4).

Методика градуировки. Экспериментальный стенд имеет две «постоянные»: тепловую проводимость тепломера и теплоемкость Ся(¿2) ядра ячейки. С целью их определения была выполнена серия опытов с образцовыми материалами. Для определения К^ (^) и Ся (¡2) проводились две серии опытов: 1) опыт с пустым стаканом; 2) опыт с образцом из дюралюминия Д16. В обоих случаях опыты проводились отдельно в режимах охлаждения и нагрева. Необходимость раздельной градуировки обусловлена тем, что теплопроводность теплоизоляционной прослойки тепломера заметно зависит от температуры, а тепловую проводимость тепломера по практическим соображениям приходится в каждом режиме относить к температуре съемного стакана.

В результате градуировки получены следующие зависимости. Режим ох-лаждения:ЛГт(0)(г2) = 0,314 + 0,834-Ю-3?2(х) и Ся(0)(/2) = 89,4 + 0,091 ¡2(т); режим нагрева: ^т(н) ) = 0,296 + 0,965 ■ 10_3 ¿2 СО и ся(н) (¿2) = 93,2 + 0,171 /2 (т) ■

Метрологические возможности установки были проверены на веществах с хорошо изученными теплофизическими свойствами (полиметилметакри-лат (ПММА), дистиллированная вода). Результаты проверки представлены на рис. 9 на примере температурных зависимостей удельной теплоемкости (а) и теплопроводности (б) ПММА. Отклонения экспериментальных данных от справочных значений во всем диапазоне температур не превышали по теплоемкости 3 %, а по теплопроводности - 5 %. а) б)

С,

ДфгК)

1000-

■-СОР'

лай* 35

020

200-

0-60 -50 -40 -30 -20 -10

Рис.9.

0,18-Ц16;

т-ю

Б.

0 10 20''Х -50 -« -30 -20 -10 0 10

•справочные данные; 0 — экспериментальные данные

20-.^

Также о высокой чувствительности метода и стенда можно судить по опытам с водой и льдом. На графике замораживания воды, рис. 10 фиксируется фазовый переход первого рода «вода-лед», протекающий при 0 °С. Отчетливо проявляется явление переохлаждения воды, составляющее минус 2,5 °С и четко видна тепловая аномалия воды при 3,98 °С.

На рис. 11 представлены экспериментальные зависимости теплоемкости дистиллированной воды и льда от температуры.

\ /

\ N N

\ N

\ 1ч

Ч(<)

Г~

1000 2000 3000 4000 5000 6000

Рис. 10.

*Дж («г-К)

Рис. 11.

Результаты измерений. В процессе работы в совокупности было исследовано более 100 образцов, которые являются наиболее распространенными влагосодержащими материалами: 1) пищевые продукты животного и растительного происхождения, 2) водные растворы сахарозы; 3) грунтовые породы (глина, песок); 4) горные породы глубинного бурения. Измерения проводились по заказам кафедр СПбГУНиПТ и внешних организаций. Ниже для иллюстрации отражены некоторые результаты проведенных систематизированных исследований.

1. Пищевые продукты

Телятина. На рис. 12-15 представлены температурные зависимости теп-лофизических характеристик телятины. Графики энтальпии (рис. 14) и теплоемкости (рис. 15) в режимах замораживания и размораживания показывают необратимость свойств, которая проявляется во всех влагосодержащих веществах. По графику теплоемкости для всех объектов исследования определены крио-скопические температуры, для телятины она составляет минус 1,3 °С.

На рис. 14 и 15 показаны экспериментальные температурные зависимости теплопроводности и температуропроводности мяса.

Яблоки и сливы. На рис. 16-17 показаны температурные зависимости доли невымороженной влаги и энтальпии фазового перехода слив и яблок.

и-.. /. т

—г

" 1

• яблоки

• ели • яблок

1 —

^ / 1 !

V *** л У

•5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 °С

Рис. 16.

-40 -30

Рис. 17.

Полученные данные о тепловлажностных характеристиках мяса, сливы и яблок позволяют рассчитать требуемую холодопроизводительность и подобрать соответствующее холодильное оборудование.

2. Водные растворы сахарозы

Теплофизические характеристики водных растворов сахарозы изучены в зависимости от их концентрации. В результате проведенных исследований были получены температурные зависимости теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности и энтальпии исследуемых образцов, а также значения криоскопических температур и температур их переохлаждения (табл. 1).

Таблица 1

Исследуемое Концентрация Значение температуры Значение криоскопической

вещество раствора Л', % переохлаждения ?п, °С температуры /кр, °С

Дистиллированная -1,5 0

вода

Раствор № 1 15 -2,7 -1,8

Раствор № 2 33 -3,9 -2,4

Раствор № 3 60 -8,8 -5,4

Раствор № 4 75 -Н,9 -6,7

На рис. 18 и 19 представлены экспериментальные зависимости энтальпии этих образцов в режиме замораживания и размораживания.

кг

1- ' 1

С /

1 — —- J

20 5 0 -5 Рис. 1 19. 0 1$ 2 о'.

Во всех растворах, как и в дистиллированной воде, при замораживании отчетливо проявляется явление переохлаждения (рис. 18). Важно, что в опытах в режиме размораживания (рис. 19) аналогичный эффект перегрева как в воде, так и во всех растворах, отсутствует. Это означает, что при замораживании водных растворов возникает зона термодинамически неустойчивого состояния, а при размораживании неустойчивость не наблюдается.

На рис. 20 показаны экспериментальные кривые теплопроводности (а) и температуропроводности (б) растворов сахарозы от температуры.

Рис. 20.

Видно, что теплопроводность и температуропроводность сиропов с увеличением концентрации сахарозы заметно снижаются, причем как в области положительных, так и отрицательных температур.

Полученные результаты использованы на кафедре технологии мясных, рыбных продуктов и консервирования холодом СПбГУНиПТ при инженерных расчетах технологических процессов размораживания плодов и ягод, а также при использовании растворов в качестве теплоносителей.

3. Грунтовые породы

В табл. 2 приведены экспериментальные значения криоскопических температур, теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности в талом и мерзлом состояниях для глины и пылеватого песка Бованенского месторождения полуострова Ямал. Исследования были проведены по запросу ОАО «ФУНДАМЕНТПРОЕКТ».

Таблица 2

Результаты исследования теплофизических свойств грунтов_

Название грунта Глубина отбора, м Влажность грунта, % Криоско-пическая температура, Удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) Коэффициент температуропроводности, м2/с

°С ст с„ К а.» ят-106 Ям-Ю6

Песок пылеватый 14,1-14,3 25,4 -0,50 1120 596 1,26 2,27 0,378 1,059

Глина легкая 3,3-3,6 49,2 -2,96 2021 1720 0,97 1,69 0,227 0,382

4. Горные породы

По заказу НИИ галургии Пермского края были выполнены исследования твердых горных пород, добытых при бурении скважины с глубины от 38 до 212 м. На рис. 21 и 22 показаны зависимости X и с от глубины залегания. Из них видно, что теплоемкость образцов меняется слабо, находясь в интервале 850 — 980 Дж/(кг-К). На графике теплопроводности прослеживается некоторая зависимость X от глубины залегания. Также было установлено, что чем больше плотность образца, тем выше его теплопроводность (рис. 23).

по Я.»

Рис.21.

40 50 60 70 80 90 100 110 И, М

Рис. 22.

■ш М, 1Ш ~3

** 1 . л ■2

•V, к. Л* I

V .V а* • ч

1-Р-2385 кг/м 2-р»2479 кг/м 3-р-2542 кг/м1 1 1 1

-20 .15 -10

15 20 '."С

Рис. 23.

Рис. 24.

На рис. 24 представлены температурные зависимости энтальпии воды, увлажненного и засоленного песка. При замораживании кварцевого песка с влажностью 10 % наблюдается как и для воды явление переохлаждения содержащейся в нем влаги до - 2,7 °С, а затем процесс замораживания влаги происходит при /фп «¡-0,6°С. Кривая 3 отражает процесс замораживания засоленного кварцевого песка. Фазовый переход проходит в температурной области от -15 до -7,5°С, сопровождаясь двойным переохлаждением влаги.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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», 260000 «Технология продовольственных продуктов и потребительских товаров».

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Куслиева (Тамбулатова) Е.В. Методика расчета теплофизических характеристик в динамических методах / В сб. «Проблемы техники и технологии пищевых производств». - СПб.: СПбГУНиПТ, 2008. - С. 58-68. (Рукопись депонирована в ВИНИТИ, № 535-В2008,26.06.2008).

2. Баранов И.В., Куслиева (Тамбулатова) Е.В., Ушакова O.K. Автоматизированный прибор для комплексных исследований теплофизических свойств жидкостей и пастообразных материалов / Электронный научный журнал «Холодильная техника и кондиционирование», № 2. - СПб: СПбГУНиПТ, 2008.

3. Платунов Е. С., Баранов И. В., Куслиева (Тамбулатова) Е. В. Особенности замерзания воды в условиях охлаждения через стенку сосуда // Известия

Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий - СПб.: СПбГУНиПТ, 2008, № 4. С. 4 - 6.

4. Платунов Е. С., Баранов И. В., Куслиева (Тамбулатова) Е.В. Метод определения теплофизических свойств влагосодержащих материалов в условиях замораживания и размораживания // Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий - СПб.: СПбГУНиПТ, 2008, № 4. С. 7 - 10.

5. Платунов Е.С., Баранов И.В., Куслиева (Тамбулатова) Е.В., Сергеев С.В. Прибор для комплексного исследования теплофизических свойств влагосодержащих материалов // Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий- СПб.: СПбГУНиПТ, 2009, № 1. С. 143 - 146.

6. Платунов Е. С., Баранов И. В., Куслиева (Тамбулатова) Е. В. Автоматизированный прибор для измерений теплофизических характеристик влагосодержащих материалов / Вестник МАХ, № 3, 2009. С. 36-40.

7. Куслиева (Тамбулатова) Е.В. Метод исследований теплофизических свойств пищевых продуктов в условиях замораживания и размораживания / X Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (г. Казань, 12-15 мая 2009 г.). Сборник тезисов докладов. - Казань: Изд-во «Отечество», 2009. - С. 71.

8. Куслиева (Тамбулатова) Е.В., Михеева Е.Ю., Ушакова O.K. Измерение теплопроводности жидкостей и пастообразных материалов / Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: Материалы 2-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (14-15 мая 2009 г.). - Бийск: Изд-во Алтайского гос. техн. ун-та, 2009. - С. 296-298.

9. Куслиева (Тамбулатова) Е.В., Оничкина JI.E. Исследование процесса кристаллизации биопрепаратов для повышения достоверности вычислительных экспериментов по моделированию витрификационных технологий / IV Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»: Материалы конференции - СПб, 2009. - С. 73-74.

10. Баранов И.В., Платунов Е.С., Куслиева (Тамбулатова) Е.В. Развитие динамических методов исследования теплофизических свойств / IV Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»: Материалы конференции - СПб, 2009. - С. 153-154.

11. Тамбулатова Е.В., Платунов Е.С., Баранов И.В. Результаты исследований теплофизических свойств водных растворов сахарозы / Вестник МАХ, №3,2010.-С. 41^6.

Подписано к печати¿^УЛ^Формат 60x80 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Печ. л. 10 Тираж $0 экз. Заказ

СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9 ИИК СПбГУНиПТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата 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 диссертация по физике, на тему "Комплексное исследование тепловлажностных свойств влагосодержащих материалов при температурах"

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.

3. Разработать алгоритм компьютерной обработки экспериментальных данных опыта.

Научную новизну в настоящей работе составляют:

2. Результаты теплового анализа теплоизмерительной ячейки.

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"

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

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 источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Тамбулатова, Екатерина Викторовна, Санкт-Петербург

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