Результаты исследования зависимости теплофизических свойств и массообменных характеристик термолабильных отходов переработки сельского хозяйства от влажности и температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результаты исследования зависимости теплофизических свойств и массообменных характеристик термолабильных отходов переработки сельского хозяйства от влажности и температуры

А.А. Улумиев, д-р тех. наук; Г.С. Каирбекова; Ш.М. Гасангусейнов, соискатель; Х.Х. Ханмагомедов, соискатель, ДГСХА

Работа посвящена результатам исследований зависимостей теплофизических свойств и массообменных характеристик термолабильных отходов переработки продуктов сельского хозяйства от влажности и температуры [1,8]. Полученные данные рекомендуются использовать при расчете кинетики процесса сушки и разработки перспективных процессов и аппаратов для сушки и хранении термолабильных отходов переработки продуктов сельского хозяйства и обоснование условий их хранения.

1. Теплофизические свойства.

Для исследования коэффициента теплоемкости (Ср) выжимок винограда и яблок в широком диапазоне температур и концентрации использовали известный и относительно простой сравнительный метод [1]. Результаты исследований, приведенные в табл.1, показывают, что в пределах t=10…90єС удельная теплоемкость отходов меняется незначительно, увеличиваясь с ростом влажности (W,%), снижаясь с увеличением температуры и оставаясь во всех случаях ниже теплоемкости воды.

Таблица 1. Удельная теплоемкость выжимок (винограда/яблок)- С_р.в./С_р.я.;кДж/кг·град

Одинаковый характер зависимостей теплоемкостей С_р=f(t;W) от температуры (t) и влажности (W) отходов переработки винограда и яблок с разбросом не более 5%, очевидно связано со сходством их структур и химических составов.

Для определения коэффициента теплопроводности - л выжимок (табл.2) нами был использован стационарный метод [8].

Анализ результатов исследования (табл.б) показывает, что значение л выжимок при t=0…100єС увеличивается, а при незначительных влажностях ниже W=10% значение л хоть и падает, но температурная зависимость остается еще заметной. Очевидно зависимости л=f(t;W) также связаны со сходством структурных составов химических элементов, способствующих подобной интенсивности переноса теплоты в выжимках винограда и яблок.

Таблица 2. Коэффициент теплопроводности - (л_в/ л_я) ·10; Вт/м град.

Результаты исследования зависимости температуропроводности от температуры и влажности выжимок а=f(t;W) (табл. в), проведенные нами методами регулярного [2] и комплексного [4] режимов, подтверждает сходства структуры теплофизических свойств отходов промышленной переработки винограда и яблок, полученных при производстве виноградного сусла и яблочного сока на перерабатывающих предприятиях.

Таблица 3. Коэффициент температуропроводности - (а_в/а_я)·10^-7, м²/с.

2. Массообменные характеристики

Результаты предварительных опытов определения влагокоэффициентов были уточнены совместным анализом кривых сорбции, полученных динамическим способом при t=14…92єС и ц=10…100%, используя методику [4] и стандартный классический метод [5,6].

По полученным изотермам W_р=f(ц)_ф (рис. 1а) рассчитывали энергии связи влаги с материалом (рис.1б), используя м=-RTlnц и построили вспомогательный график U=f(м)_Т графическим дифференцированием которого, используя , получили зависимости удельных изотермических массоемкостей от влагосодержания , характеризующие влагоаккумулирующие способности продукта.

Для определения зависимости температурного коэффициента химического потенциала масспроводности от влажности был построен график зависимости для различных значений и, используя зависимость . А для определения зависимости термоградиентного коэффициента от влажности д=f(и)_Т использовали ; гр/гр·К; (%/К).

Как показал В.В. Красников для определения изотермической массоемкости - с_т можно использовать также изотермы сорбции рис.1 в виде W_р=f(ц)_Т и экспериментальный потенциал массопереноса эталона - фильтрованной бумаги в виде рис. 2, независящий от влагосодержания, а величину и зависимость (рис. 2б) находим графическим дифференцированием полученной зависимости.

а) (б

Рис. 1: а) Изотермы сорбции влаги при t=20-30⁰С; б) Зависимость энергии связи влаги от температуры

а) (б

Рис. 2 а) Зависимости и . б) Зависимость изотермической массоемкости от влагосодержания

Анализ результатов исследований влагокоэффициентов показывает, что величина возрастает с увеличением влажности материалов, что характерно для изотерм, у которых при относительной влажности материала ц>1 влагосодержание W>?. Сравнительный анализ зависимости показывает заметное влияние на влажности, по сравнению с температурой.

Зависимость , показывая рост с увеличением влажности в гигроскопической области, не имеет экстремальных точек. Очевидно это связано перемещением влаги в виде пара при малых значениях и. Как видно из рис.2а до значения и=24^оМ характер изменения с_т выжимок винограда и фильтрованной бумаги идентичен, это свидетельствует о том, что при данных значениях и сухие выжимки проявляют свойство капиллярно-пористых тел как фильтрованная бумага. При и>24^оМ наблюдается резкий подъем крутизны характеристики . Рис.2а свидетельствует завершение процесса заполнения микропор, наступлением микрокапиллярной конденсации.

При значениях и>0,07(г/г) у сухих выжимок величина сначало резко увеличивается до и=0,15 (г/г), а затем уменьшается. Максимум связан с совместными процессами адсорбции и капиллярной конденсации, и действующих на изменение величины в противоположных направлениях.

При значениях и>0,4(г/г) величина начинает расти, что означает предел значения и=100⁰М при котором и материала интенсивно увеличивается, вызывая рост.

Для определения коэффициента потенциалопроводимости /диффузии/, представляющей собой основную кинетическую характеристику и влагоинерционные свойства материала, а также оказывающего наибольшее влияние на интенсивность внутреннего влагопереноса, мы использовали методику Н.Е. Горобцовой, основанную на обработке кривых кинетики сушки, для определения зависимости .

Полученные значения а_т позволяют оценить одну из важнейших характеристик выжимок, как объект сушки - критерий Лыкова L_u=a_m/a, характеризующий соотношения инерций полей влажности (и) и температуры (t), для определения значений и и t. Так например, для и=1,3, кг/кг и t=60⁰c, a=1,03·10^-6(м²/с), а а_т=0,3·10^-9(м²/с). Критерий Лыкова L_u=0,29·10^-3. Как видно интенсивность развития температурного поля в выжимках во много раз превышает интенсивность переноса влаги.

Результаты исследования равновесной влажности были использованы также и для установления зависимости метода и средства упаковки и определения термодинамических условий хранения сухих продуктов.

Для длительного хранения необходимо, чтобы материал был высушен не только до оптимальной остаточной /равновесной/ влажности, но и изолирован от разрушительных действий состава и термодинамических параметров окружающей парогазовой смеси в процессе хранения, определяемых методом и материалом упаковки.

Результаты анализа исследования, посвященные определению равновесной влажности гранулированных выжимок и семян в условиях ц=0,2…0,90, t=18…40⁰С, позволило получить аппроксимирующие зависимости в виде: W_p=т+п(ц)^1,7;%, соответствующими постоянными т и п. Расхождения результатов с опытными данными составляет ±10%.

Например, для семян яблок при t=20^oC, W_p=3,5+3,5(0,3)^1,7=5,3% при t=40^oC, W_p=3,5+14(0,9)^1,7=13,3%

В соответствии с принятой на практике классификацией продукты с гигроскопичностью до (W_p)_t=10% - негигроскопичные, в приделах (W_p)_t=10…15% - малогигроскопичные, с (W_p)_t=15…20% - средне гигроскопичные, от 20…25% - сильно гигроскопичные. Соответственно подбором методов и материалов для их упаковки отходы яблок и винограда /выжимки/ можно отнести к сильно гигроскопичным, а семена - к средне гигроскопичным.

Полученные экспериментальные данные по равновесному влагосодержанию были проверены также и на соответствие уравнению БЭТ представленное в виде:

.

По экспериментальным постоянным монослоя изотерм (с- безразмерный коэффициент, зависящий от связи влаги с материалом и температуры, u_m - влагосодержание соответствующее мономолекулярному покрытию поверхности материала), используя уравнения БЭТ определили остальные параметры монослоя: относительная влажность воздуха

, а ;

где Е и Е_т - энергия конденсации водяного пара и средняя энергия связи влаги с материалом. Удельная поверхность материала (м²/гр.); где М= 18 - молярная масса, т.е. масса одного моля воды (в граммах); N_A=6,0225·10²⁶- число Авогадро, 1/моль; f?10,6·10^-20- поверхность молекулы воды, м². Диаметр молекул D_м можно найти по числу молекул в киломоле:

.

Наблюдается так же существенная обратная зависимость величин u_m; E_m и c от температуры. Например, при t=20^oC u_m=0,047(кг/кг); при t=50^oC u_m=0,04 (кг/кг); при t=60^oC; u_m=0,035(кг/кг) и следовательно при t=20^oC s_уд.=0,047·3,5·10³=164,5 (м²/гр); при t=60^oC s_уд=126(м²/гр).

Результаты исследования распределения пор по размерам методом графического дифференцирования структурных кривых полученных методом Чокли [2] показали, что наибольшее количество пор в материале распределены r_э=(12…22)10^-10м, что свидетельствует микропористость гранулированных выжимок винограда, яблок и других фруктов и их семян.

Полученные данные по теплофизическим свойствам и массообменным характеристикам [7] широко используются при усовершенствовании существующих и разработки перспективных процессов и аппаратов для сушки отходов промышленной переработки фруктов, ягод и овощей. А так же при обосновании методов и средств упаковки высушенных отходов переработки фруктов и ягод с целью увеличения продолжительности их хранения и удобства транспортирования.

теплоемкость влажность выжимка виноград

Список литературы

1. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. /Гинзбург А.С., Громов М.А., Красовская Г.И. М.: Пищевая пром. 1980- 287с.

2. Лыков А.В. Тепломассообмен - М.:Энергия, 1976,.- 478с.

3. Методы комплексного определения теплофизических характеристик вязких, пастообразных и мелкодисперсных материалов. / Красников В.В., Панин А.С. Скверчак В.Д. Известия вузов: Пищевая технология.- 1976.-№2.- 138с.

4. Сушка пищевых и растительных материалов. /Г.К. Филоненко, М.А. Гришин, Я.М. Гольденберг, В.К. Коссек. М.: Пищевая промышленность, 1971, 438с.

5. Гинзбург А.С., Савина И.М. Массообменные характеристики пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1982, 279с.

6. Егоров Г.А. Использование изотерм сорбции воды пищевыми продуктами. - Изв. Вузов: Пищевая технология.-1960.-№3.-306с.

7. Улумиев А.А., Камилов Р.К. Результаты исследования кинетики сушки отходов промышленной переработки плодоовощных продуктов для использования в кормопроизводстве // Матер. 1^ой Междун. Конфер.-Ставрополь, 2001.-С. 70-76.

8. Улумиев А.А. Теория и практика сушки термолабильных продуктов микробиологического синтеза, докторская диссертация -МТИПП, 1986.-500с.

9. Красников В.В. Кондуктивная сушка. - М.: Энергия, 1973, 287с.

Размещено на Allbest.ru