Содержание к диссертации
Введение
1. Общая характеристика работы 5
2. Обзор литературных данных по коэффициенту характеристикам овощных продуктов . Задачи исследования 9
2.1. Плогносіь овощей 10
2.2. Удельная массовая іеилоёмкоегь 11
2.5. Задачи исследования 33
3. Обобщение литературных экспериментальных данных по теплофизическим характеристикам овощей 34
3.1. Методолої ия обобщения данных по удельной массовой теплоёмкости, коэффициенту теплопроводности и коэффициенту температуропроводпосі и 34
3.2. Обобщение данных по удельной массовой геилоемкоеіи 38
3.3. Обобщение данных по коэффициенту теплопроводности 41
3.4. Обобщение данных по коэффициенту температуропроводности, rt^f(w) 51
3.5. Обобщение данных по коэффициенту температуропроводности, a~f(V) 58
3.6. Номограмма но обобщённым іеплофизическим характеристикам овощей 62
3.7. Номограмма для определения коэффициента температуро проводности овощей по обобщённым данным 64
4. Выбор метода экспериментальною определения коэффиииеига температуропроводности овощей 67
4.1. Краткий обзор методов 67
4.2, Особенносіи выбранною для определения коэффициеша температ; ропроподности метода упорядочен HOI о теплового режима 76
5. Экспериментальная установка. Измерении. Методика проведении и обработки опытов. Поірсшности измерений 78
6. Результаты экспериментально! о определения коэффициента температуропроводности овощей и сравнение с полученными обобщёнными данными 88
6.1. Первичные данные 88
6.2. Обработка результатов по коэффициенту температуропроводности 94
6.3. Сравнение обобщённых и экспериментальных данных по коэффициенту темпера туропр о водности 108
7. Рекомендации по использованию результатов работы.
Таблицы теплофизичееких характеристик овощей 120
Заключение 121
Список литературных источников
- Удельная массовая іеилоёмкоегь
- Обобщение данных по удельной массовой геилоемкоеіи
- Экспериментальная установка. Измерении. Методика проведении и обработки опытов. Поірсшности измерений
- Сравнение обобщённых и экспериментальных данных по коэффициенту темпера туропр о водности
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена вопросам исследования
теплофизических характеристик (1ФХ) овощных продуктов (сырых овощей). Актуальность этою научною направления очевидна потому, чіо в литературе (научной, учебной) приводятся экспериментальные данные по ТФХ овощей в досіаючно разрозненной и пеобобщешюй форме. Эю относится к удельной массовой теплоемкосіи, к коэффициенту теплопроводности и, особенно, к коэффициещу температуропроіюдносіи. Отсутствие общих апагппических зависимостей по ТФХ овощей затрудняет сооївстствующие іепловьіе расчеты технолої ических процессов.
В данной работе обобщены имеющиеся литературные экспериментальные данные и представлены в виде аналитических зависимостей ТФХ овощей с , '/., а . На специально созданных установках выполнены экспериментальные исследования но определению коэффициента температуропроводности овощей новым меюдом упорядоченного тепловою режима.
Экспериментальные результаты автора достаточно хорошо совпадают с обобщёнными данными (см. пыше) и представлены в ірафнчсских и аналитических зависимостях. Для практическою использования они представлены в виде справочных таблиц.
Работа выполнена на кафедрах «Технологические машины и оборудование» и «Геплоэнертетика» Астраханскою іосударсіпенною техническою универсиїеіа. Несколько серии опытов проведены на кафедре «Энерюснабжспие и теплотехника» ВолгГАСУ.
Автор выражает признательность руководству Астраханскою
государственною технического университета за предоставленные возможности и поддержку в работе.
Удельная массовая іеилоёмкоегь
В литературе имеется достаточно большое количество экспериментальных данных по теплофизическим характеристикам овощей и овощных продукюв (работы: Алексанян И.10., Боюмолов В Буйнов А.А., Васильев JI., Водочинский В., Волькснштейн В., Гинзбург Л., Громов М., Дульиев Г., Колоров К., Кравчук Е., Кракопская Г., Кришер О., Лебедев П.Д., Леончпк Б.И., Лыков Л., Масликов В., Панин Л., Раичков Г., Скурихнн И.М., Фрлйман 10., Adam М , Bolcar V., Murthy М. Krishana, Norayona К. Bodari, Ch. M. Hiescu и др.).
Однако они приводятся, в основном, как простая совокупносіь данных для определённых условий опыюв.
Эго относится в большей степени к коэффициенту теплопроводности ., Вт/(м К), и особенно — к коэффициенту температуропроводности и, \і2/е, который и являеіся объектом исследования в данной работе.
Огличие овощей Коэффициент температуропроводности является комплексной тсплофизической характеристикой материалов, и том числе - овощей: u = )J(cKp), м2/с, (1) где ).- коэффициент теплопроводности, Вт/(м К), с - удельная массовая теплоёмкость, Дж/(кг К), р-плоіность, кі/м3.от большинства материалов с точки зрения стабильности (нестабильности) коэффициента температуропроводности является влажность овощей. Она существенно влияет на все величины, входящие в коэффициеш температуропроводности и = ). , с, р. Па эти коэффициенты влияет также к определённой степени и температура.
Поэтому имеет место достаточно сильная зависимость и. = f (w, Т). Эго обстоятельство затрудняет получение величины коэффициента температуропроводности овощей экспериментальным путем как непосредственно, так и п тем вычислений. Теоретические работы по величине а овощей отсутствуют.
В данной работе сделана попытка найти нсличину « овощей расчётом как функцию по ). , с и р, а также непосредственно определить а экспериментальным путём и сравнить зі и обобщенные расчеміьіе и экспериментальные значения в практически значимой обласні параметров w = 0,40...0,95 и 1=274...333 К.
Величина плотности овощей, в отличие огдруїих величин в формуле (1), наиболее изучена и стабильна, и может быть принят в расчётах. Широко используется следующая зависимость о і влажноеш при температуре около 20 С [223, 3 и др. ]: p = 2670/(l,67 + w), кг/м3. (2) Эта зависимость принята в данной работе для использования и іуифически показана ниже на обобщающем рисунке 27 it разделе 3.6 вместе с друїими характеристиками овощей.
Массовая удельная теплоёмкость овощей Зависимость массовой удельной теплоемкости овощей с при температуре около 20 С от их влажности имееі достаточно широкую экспериментальную базу[ 1-4,7, 10, 12, 16,34,61,64-66,69-71, 180, 184, 185, 187, 197,201,204, 205, 208, 209, 255 - 257, 261, 262, 264, 266 - 268, 270 - 272, 276, 277, 279, 280, 282,283].
Соответствующие данные по теплоёмкости овощей мы нанесли на рис. 1. в координатах с - w. Имеющиеся частные обобщения завиеичосш с = f (w) для овощей и друїих пищевых продуктов показаны на рис. 2. Гам же, в качссіве примера, приводится эта величина для некоторых пищевых продуктов. Ниже в разделе (3.2) на основании данных рис.1 и 2 принята обобщающая зависимость с = f (w) для овощей, которая показана на оїдельиом рисунке 3 и соответсвуег формуле (4) из раздела 3.2.: c = 1300 + 2883 w, Дж/(кг К), (3)
Эта зависимость принята для использования в данной работе и приведена также и на обобщающем рисунке 27 в разделе 3.6. вместе с друїими характеристиками овощей. В литературе имеюіся очень ограниченные и частые сведения о зависимости удельной теплоёмкости овощей от температуры. В частности: [255, 2] "С повышением темпера)тры удельная теплоемкость высушенной моркови при Т = 286 - 300 К и w = 0,005 - 0,0075 возрастает: с = -1087 + 7,90 Т ,Дж/(кг К) \ [189, 2] "Удельная теплоёмкость шореобразної о продукта из шквыс рисом определяется при Т = 293 - 353 К по формуле: с = 3503 + 0,450 Т ". [255, 1] Удельная теплоёмкость сухих овощей ( w = 0,50 - 0,75 % ) в пределах изменения температуры Т = 286 - 300 К увеличивается с повышением температуры: для картофеля с = 93 t 3,8 Т".
Обобщение данных по удельной массовой геилоемкоеіи
Коэффициент температуропроводности я овощей при наличии данных по ., р , с можеі быть вычислен по формуле (2.1). При этом он будет получен с суммарной поітіешносгью этих трёх величин. Однако в литературе имеются экспериментальные данные непосредственно по эюму коэффициенту.
Эти данные ио различным источникам представлены нами в виде рисунков 10 (зависимость а от влажности), 11 (то же, от температуры) и 12 (частные зависимосш a = f (\v)). При этом использованы, в том числе, результаты следующих авторов: Алексанян И.Ю., Богомолов В Буйно» Л.Л., Васильев Л., Водочинский В., Волькснштейп В., Гинзбург Л., Громов М., Дульнев Г., Колоров К., Кравчук Е., Краковская Г., Крпшср О., Лебедев П.Д., Леончик Б.И., Лыков А , Масликов В., Папин А., Раичков Г., Скурихин И.М., Фрлйман 10., Adam М., Bolcar V., Murthy М. Kribhana, Norayona К. Bodari, Ch. M. Hicscu и др.).
В отношении экспериментальных данных по коэффициенту температуропроводности а можно сделан, і очно гики с же замечания и выводы, как по коэффициенту ). (см. выше раздел 2.3). А именно: - данные получены различными авюрамн в течение длшелыюю периода времени различными методами, стационарными и несгационарными; - часю не указаны метод определения тсплофизических коэффициентов и погрешности определения; не анализируется разброс эксперимешальных ючек до 100 % для одного вида овощей; - теплофизические характеристики приводяїся в основном отрывочно, как простая совокупность данных для определенных)елопии опытов; - никак не обсуждаются данные в области высоких влажностеіі овощей по величине этих коэффициентов и коэффициентов для воды.
Таким образом, не имеется возможности пользоваться определёнными расчётными формулами или табличными данными по теплофизнческим коэффициентам. Особенно это относится к коэффициешу температуропроводности, коюрый определяет скорость протекания технолої ическич процессов наїтіеиания н охлаждения.
Так как коэффициент температуропроводности определяется как а = ). I (с р), а погрешности (по литературе, ем. рис. 1—2) по /. сосгавлякн до + 50 %, по с до ± 30 %, ю вычисление а по эюму комплексу дает погрешность до + 100% и, иоэшму сильно затрудняются практические расчёты.
Данные, имеющиеся непосредственно по коэффициенту температуропроводности (рис. 10...12), песьма недостаточны, имеюі значительный разброс, а также большая их доля при высоких влажиостях продуктов существенно превышает величину коэффициента для воды. Последнее физически не обосновано.
На основании приведенных в разделе литературных экспериментальных данных по ТФХ овощей и по коэффициенту температуропроводности можно сделать вывод о необходимости обобщения этих данных и о необходимости дальнейших экспериментальных исследований коэффипиешл температуропроводности овощей па основе новых методов, на одной установке, с одинаковыми образцами. В целом же в исследованиях с целью определения коэффициента температуропроводности овощей, в том числе - па основе имеющихся данных по их ТФХ- к, с, р, необходимо решай, две проблемы: 1. Обобщение имеющихся в литературе экспериментальных данных. 2. Получение новых экспериментальных данных по коэффициенту темпера гуропроводности овощей. Данная работа выполнена в этих направлениях решения проблем. По первому направлению в работе использовано большое количество оіечественньїх и зарубежных исючников за период с 30-\ юдов до 2005 г.
По второму направлению автором выполнены эксперимешальные исследования коэффициента температуропроводности методом упорядоченного тепіового режима (115 оиыюв для 11-ти овощей) и использованы результаты исследований для обобщения и практических рекомендаций. Эти данные относятся к «опорным» точкам поля w - Т (влажное і ь -температура) в диапазоне Т = 274.,.333 К и w = 0,40...0,95. Таким образаом, в работе решаются поставленные автором задачи исследования (см. раздел 1): 1. Выполнить анализ и обобщить обширные литературные экспериментальные данные по коэффициент)1 темпераіуронроводностп овощей. 2. Экспериментально определить коэффициент температуропроводности овощей на основе обобщенною метода упорядоченного іеп.ювою режима, использования одной установки, с одинаковыми образцами по одной методике, и сравнить обобщенные и экспериментальные данные по лому коэффициенту. 3. Разработать рекомендации по практическому использованию результатов исследования (расчетные формулы, таблицы іеплофіїзических характеристик).
Экспериментальная установка. Измерении. Методика проведении и обработки опытов. Поірсшности измерений
Таким образом, кратко рассмотрены следующие методы экспериментального определения коэффициент температуропроводности овощей: нестационарные (регулярный тепловой режим, монотонный тепловой режим, метод тепловою импульса или міновснною источника, комплексные меюды, метод температурных волн) и стационарные (плоскою, цилиндрическою и шарової о слоя).
Целесообразно принять, что стационарные методы не \ioiyi использонап.ся для такою объекта как овощи, т.к. при характерной для методов продолжительности опытов неизбежно применение свойств (влажноеіи) объекта.
К недостаткам различных применяющихся нестационарных методов, которые усиливаются при работе с овощами, как с объектом с высокой влажностью, можно отнесіи: или необходимость поддержания постоянной температуры среды, или поддержания постоянной плопюсги тепловою потока, или определенно! о коэффициента теплообмена, а также необходимость тепловой изоляции некоторых поверхностей исследуемых образцов, устройство охранных наїревателей, малые и слишком конкретные по форме образцы для опытов, в юм числе- специальное и дороюстоящее оборудование,
Наиболее применяемыми, на наш взгляд, более простыми по организации опытов и по измерениям являются регулярный тепловой режим (конвективный подвод тепловой энергии) и кпазистационарный тепловой режим (подвод тепловой энертии при постоянной плотности теплового потока).
В развитие экспериментальных методов определения теплофизических характеристик веществ внесли вклад как известные разработчики меюдов, іак и экспериментаторы: Абраменко Т., Баранов В., Бойков Г., Бровкин Л., Вавилов, Варіафтик И., Видин 10., Волохов Г., Геращенко О., Дульнев Г., Жадан В., Журавлев В., Кириллин В., Коваль 10., Кондратьев Г., Краев О., Куисрпн В., Кутателадзе С, Куприн Д., Лебедев П., Лукьянов Г., Осипова В., Пак М, Преображенский В., Платунов Е., Радун Д., Самохвалов А., Стефановский В., Тимрот Д., Фокин В., Цедербері П., Цирельман И., Чистяков С, Чернышев В., Черпышова Т., Чубик И., Чудновский А., Шаронова О., Шульман 3., Эйдельштейн И., Ярышсв И., Esborn Н., Davics D., Krischcr О., Reid R., Riedel L., Rihani D., Saton S., Sherwood Т., Johnson A.
В последние юды на оснопе теоретических и эксперичеталыилх работ школой Бойкова Г. П., Ви дина 10. В., Фокина В.М., Шароновой О. В. и др. доведен до практическою применения для твердых тел метод упорядоченного теплового режима определения зендофизических характеристик и особенно -коэффициента темперагуропроводности. Метод использован в данной работе.
В его основе - тепловой период нагревания или охлаждения образна, начиная с которого некоторый температур шли комплекс Ф в любой і очке экспериментального образца изменяется во времени по закону прямой линии.
Методы определения ТФХ при нагревании и охлаждении (нестационарные) могут быть обобщены на основании формулировки, предложенной дл.н. Бойковым Г.Н. и др. [ 31, 93 в] : тепловой период наїревания или охлаждения тела, начиная с которого некоторый температурный комплекс Ф в любой точке, изменяется во времени по закону прямой линии, называется упорядоченным тепловым режимом.
Такой подход дает возможность упрости, требования к условиям и законам подвода (отвода) теплоты при использовании нестационарных меюдов экспериментального определения ТФХ [ 8 .
В данной работе в экспериментальной части использовался именно упорядоченный і силовой режим, варианты которою достаточно подробно разработаны в работе [ 8 ] и друї их работах Фокина В.М.
Метод не лимитируется параметрами и теплофизическими характеристиками среды, в которой размещается опытный образец, не гребує г измерения температуры среды или поддержания её по закону t - const, а также нет ограничений по коэффициенту теплообмена на поверхности образна. Температура среды в опытах может изменяться с небольшим темпом. Условием наступления и существования упорядоченною теплового режима являемся условие Ф = к"т, (53) где т - время, к - постоянный коэффициент, Ф - упомянутый выше комплекс, который равен = in(»n-O-"K/ t„0). (54) Для образцов шаровой формы п = 1,73, для цилиндра n = 1,46. Для обработки экспериментальных данных по коэффициенту температуропроводности используется выражение аЛ , (55) ш Дт где для шара т = 9,86, для щпшдра т = 5,75.
Сравнение обобщённых и экспериментальных данных по коэффициенту темпера туропр о водности
Все полученные авторочэкспериментальные данные по коэффициента температуропроводности овощей (115 опытов) представлены і очками на рис. 45...48 для четырёх характерных температур: 20, 30, 40 и 50 С в координатах « w . Там же приведены для этих температур линии a = f (\v), полученные в разделе 3.7. и на номограмме a = f (w,T) на рис. 28.
С учётом погрешности, связанной с этим обсюягельсівом, с другими погрешностями опытов, указанными в разделе 5 и с учётом разброса экспериментальных данных ( ц 4 %) на указанных рис. 45...48 можно принять величину общей погрешности определения неличины а н данной работе = + 8...10 % . Важным является то, чю рисунки 45...48 показывают достаточно хорошее совпадение экснерпменгальпых данных и подученной в разделе 3 зависимости, обобщающей лшературные экспериментальные данные по а , что подтверждает достоверность резулыагои.
Можно также отметить, использованный в данной работе (впервые для влажных веществ) метод упоридоченною тепловою режима для экспериментального определения коэффициента температуропроводпосіи, показал работоспособность и может рекомендоваться для использования и расширения своих возможностей для определения ТФХ овощей.
Таким образом, после подтверждения опытными данными но изложенным соображениям принята как окончательная расчётная зависимость для коэффициента температуропроводпосіи, полученная выше в п. 3.5,:
Для практическою использования результатов рабо і ы авюром рекомендуются аналитические зависимости для вычисления іеплофизичееких характеристик а , ). , с и р овощей при температуре 20 СС (26)...(29) и зависимость (52) для вычисления коэффициента температуропроводносш по w и Т . Эти данные представлены в Приложении в виде номоірамм (рис. 27, 28), а также табулированы и представлены ниже в виде таблиц 13 и 14 с шатм 0,02 по w и 2 К - по Т.
Формулы, таблицы и номограммы можно использовать при тепловом расчете технолоіических процессов с овощами (нагревание, охлаждение идр.) на основе методик, изложенных в учебной литературе, в монографиях, справочниках, сборниках задач и др.
Отдельные результаты работы (таблицы тсплофизических характеристик овощных продуктов) приняты к использованию: в ЗЛО «Астраханский пектин»; в учебном процессе кафедры «Технолог ические машины и оборудование» Астраханскою юсударствениого техническою университета; в научной работе Лаборатории нетрадиционной энергетики ОЭП СПЦ РАН (при АГТУ); во ВНИИ овощеводства и бахчеводства (Справки см. в Приложении)
При использовании применённого автором экспериментального меюда определения коэффициента температуропроводности можно рекомендован, для обработки результатов опытов формы таблиц 3, а, 3, б и ірафические формы представления первичных данных (рис. 36) и их обрабоїки (рис. 40).
Справочные таблицы 13 и 14 по ТФХ овощей и по коэффициенту температуропрводности овощей оп бликованы отдельной броииорой авюра (поз. 294 в «Списке литературных источников» в диссертации)
Результаты, полученные в диссертационной работе, заключаю і ся в следующем: 1. Получена обобщающая литературные данные расчетная зависимость для определения коэффициента температуропроводности овощей в различных состояниях (по влажности и температуре) во всем диапазоне влажное і ей и при іемпературах до 60 С. 2. Вперше для экспериментального определения коэффициент температуропроводности овощей, как влажных иещесів, применен меюд упорядоченною теплового режима (регулярная часів режима) и показана ею применимость в этих условиях. 3. Получены, обобщены и представлены в виде аналитических зависимостей экспериментальные данные авюра по коэффициенту гемпературопроводиосш овощей в диапазоне параметров: w = 0,40.,.0,95 ,Т 274...333 / , 4. Хорошее совпадение (с вполне приемлемой погрешностью) обобщенных лшерагурных данных и обобщенных экспериментальных данных авюра по коэффициенту температуропроводности овощей подтверждает досіаючную надежносіь результатов. 5. Для практического использования полеченных резулыаюв рекомендуемся разработанные номограммы и таблицы тсплофизическнх евойеїв овощей, 6. Отдельные результаты работы нашли практическое применение (см. выше общую характеристику работы).
