ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ СВОЙСТВ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ КАК ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ Текст научной статьи по специальности «Техника и технологии»

УДК 664.8.04

А.П. Лебедева1, Е.А. Степанова2

1 Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова,

Санкт-Петербург, 198035 e-mail: [email protected];

2 Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]

ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ СВОЙСТВ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ КАК ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ

Статья посвящена описанию техники, методики и анализу результатов исследования теплофизиче-ских характеристик ряда материалов как потенциальных сорбентов. Критериями предварительного отбора были: дисперсность, возможность повторного использования, низкая стоимость и доступность, возможность последующего отделения от объекта сушки.

Ключевые слова: контактно-сорбционная сушка, сорбенты, теплофизические характеристики.

A.P. Lebedeva1, E.A. Stepanova2

1 State University of Marine and River Fleet named after Admiral S.O. Makarov,

St. Petersburg, 198035 e-mail: [email protected];

2 Kamchatsky State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail:[email protected]

RESEARCH AND ANALYSIS OF SOME MATERIALS PROPERTIES AS POTENTIAL SORBENTS

The description of the technique, methodology and analysis of study results of the thermophysical characteristics of a number of materials as potential sorbents was presented. The criteria for pre-selection were: dispersion, reusability, low cost and availability, the possibility of subsequent separation from the drying object.

Key words: contact-sorption drying, sorbents, thermophysical characteristics.

Возможность использования для сушки различных материалов контактно-сорбционным методом была известна давно. Однако широкое применение этот метод пока не нашел. Главной причиной тому является сложность в выборе сорбента. Поэтому были изучены свойства ряда материалов, которые можно было бы, на наш взгляд, использовать в качестве сорбентов.

Критериями предварительного отбора материалов были:

- дисперсность материала;

- возможность повторного использования;

- низкая стоимость;

- доступность;

- безвредность по отношению к пищевым продуктам;

- возможность при необходимости последующего отделения от объекта сушки.

На основании вышеизложенного были отобраны следующие материалы: целое и дробленое зерно пшеницы, манная крупа, лузга подсолнечная, картофельная мука [1], кварцевый песок и AhO3.

Контактно-сорбционная сушка - сложный тепло- и массообменный процесс, в течение которого изменяются свойства, структура и качество двух компонентов: сырья и сорбента.

Для определения скорости нагрева сырья, расчета процесса сушки используются теплофи-зические характеристики как самого продукта, так и контактирующего с ним тела (сорбента). Указанные характеристики являются кинетическими коэффициентами в известном линейном уравнении термодинамики необратимых процессов.

Целью работы было исследование теплофизических характеристик некоторых материалов как потенциальных сорбентов и их сравнительный анализ.

Учитывая специфику исследуемых продуктов, был использован метод комплексного определения теплофизических характеристик в регулярном режиме (метод бикалориметра [2]).

Методика экспериментов. Наличие в теле источника постоянной мощности при теплообмене со средой постоянной температуры позволяет определить значения X, а и с из одного эксперимента.

Принципиальная схема стенда для комплексного определения теплофизических характеристик при комнатных температурах изображена на приведенном ниже рисунке.

Принципиальная схема стенда для комплексного определения теплофизических характеристик: 1 - плоский бикалориметр; 2 - источник стабилизированного питания; 3 - ваттметр; 4 - регистрирующий узел

Основными элементами стенда являются: плоский бикалориметр, источник стабилизированного питания, ваттметр и регулирующий прибор - самопишущий потенциометр типа КСП-4. В качестве датчиков температур использовались хромель-копелевые термоэлектрические преобразователи.

Исследуемый материал в виде двух плоско-параллельных дисков равной толщины с диаметром, равным диаметру плоского нагревателя бикалориметра, помещался в пространство между наружной поверхностью нагревателя и внутренней поверхностью цилиндра. Соотношение между линейными размерами удовлетворяло предельному условию:

к-к- а, (1)

Я 4

где Н - толщина одной пластинки, мм;

Я - половина ее стороны или радиус, мм.

После заполнения указанной плоскости исследуемым материалом включали подвод воды и начинали охлаждение, результатом которого являлось выравнивание температуры в объеме материала.

После выравнивания температуры в объеме образца по показаниям регистрирующего прибора включали нагреватель. Величина мощности, подводимая к нагревателю, определялась по показанию ваттметра.

При выключении нагревателя избыточная температура начинала расти, достигая максимума в стационарном состоянии. По кривой измерения разности температур во времени определяли X, а и с.

Для исключения случайных погрешностей каждый опыт повторяли пять раз. Относительная погрешность измерения измерительно-регистрирующего узла стенда комплексного определения теплофизических характеристик наименьшего значения разности температур составляет:

x

5 =--100, (2)

Aymin

где х - цена деления прибора;

Ajmm - наименьшее значение измеряемой величины.

5 = 0005 .loo = 1%. (3)

' 5,0

А относительная погрешность наименьшего значения электрической мощности, подаваемой на нагреватель зонда:

5 = М! .100 = 0,5%. (4)

W 20,0

Погрешность измерения стенда можно определить по формуле [3]:

5ТФХ =V52 + ^ (5)

где 5í - погрешность измерения разности температур, %; б w - погрешность измерения мощности, %.

5тфх =V0,52 +1,02 = 1,12%. (6)

Поэтому погрешностью измерения стенда комплексного определения теплофизических характеристик можно пренебречь.

Результаты эксперимента и их анализ. Коэффициент теплопроводности:

q • Я r t \

Х = ^1п' (Г >Г)> (7)

AT Г

где Ri - внутренний радиус полого цилиндра;

AT = (ri; да) - T(r2, да), которая с учетом положения спаев дифференциального термоэлектрического преобразователя и значения величины удельного теплового потока может быть записана так:

W , R

I =-ln-2-, (8)

2%hAT R

ст 1

где w - мощность, подводимая к нагревателю;

АТст - разность температур в точках xi - Х2 = k пластины в стационарном состоянии. Коэффициент температуропроводности рассчитывается по формуле:

a = R— • m. (9)

Значение первого корня определяется характеристическим уравнением

J (ц.k)Y0 .(ц)-Y(ц.k)J0 .(ц). (10)

/

Для нашего случая при к = — = 0,7272, = 6,193.

/2

Следовательно, выражение (9) можно записать в виде:

„_/ 1п(АТс1 -А7;)- 1п(ау;,-А72)_ // 1п(АУ;, -Ау )- 1п(АУ;, -АУ;)

а = 2 ' = г ЛСлп2 ' . ( )

И1 Х2 -Х1 6,193 12 -11

Вместо построения графика функции 1п(АГст - АТ) = Дт) для расчета была использована формула (П). Начало отсчета принималось с момента, когда текущая температура составляла приблизительно (0,25 ^ 0,3)АТст, т. е. когда наступал регулярный режим.

Определив X и Л, находили удельную теплоемкость исследуемого материала по формуле:

с = (12)

а 'р

В качестве сорбентов использовались следующие материалы: АЬОз (влажность 10%, р = = 858,457 кг/м3); песок кварцевый (влажность 7%, р = 1814,588 кг/м3); манная крупа (влажность 16%, р = 866,975 кг/м3); лузга подсолнечная (влажность 18%, р = 159,297 кг/м3); дробленое зерно пшеницы (влажность 14%, р = 861,642 кг/м3); картофельная мука (влажность 10%, р = 754,454 кг/м3).

Опыты проводились при температуре 22°С.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

Теплофизические характеристики исследуемых материалов

№ Материал X, Вт/м К а ■ 10-8, м2/с с, Дж/кг К р, кг/м3

1 Отруби пшеничные 0,2744 9,2903 1445,847 214,58

2 Дробленое зерно пшеницы 0,4829 11,3968 4973,257 861,64

3 А12О3 0,4836 12,1969 4653,733 858,45

4 Манная крупа 0,4965 13,5577 4245,367 866,98

5 Лузга подсолнечная 0,2944 8,0963 2299,611 159,29

6 Песок кварцевый 1,0101 25,3337 2271,195 1814,60

7 Картофельная мука 0,1613 14,1400 1512,000 754,46

Анализируя полученные данные, можно сделать следующие выводы.

Для контактно-сорбционной сушки пищевых продуктов лучше использовать «пищевые» сорбенты, т. е. вещества, непосредственный контакт с которыми не оказывает какого-либо влияния на качество конечного продукта, не ухудшает его пищевой ценности.

Такими продуктами являются отруби пшеничные, манная крупа, лузга подсолнечная, дробленое зерно пшеницы и картофельная мука.

Лучшими теплофизическими характеристиками (показателями) обладают манная крупа и дробленое зерно пшеницы.

Однако так как манная крупа обладает также сильными адгезионными свойствами, для применения в качестве сорбента-теплоносителя при контактно-сорбционной сушке предпочтение отдано дробленому зерну пшеницы (X = 0,483 Вт/м К; а х 10-8 = 11,397 м2/с; с = 4973,3 Дж/кг К.

Литература

1. А. с. 1650065 (СССР). Способ получения пищевой картофельной муки / Авт. изобрет. И.И. Паромчик и др. - Опубл. в Б.И., 1991. - № 19.

2. Методы определения теплопроводности и температуропроводности / Под ред. А.В. Лыкова. - М.: Энергия, 1973. - 336 с.

3. Основы теории инженерного эксперимента / Н.П. Коновалов и др. / Под общ. ред. Н.П. Коновалова. - Иркутск: Изд-во Иркутского гос. технического ун-та, 2014. - 300 с.