WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Теплофизические и термодинамические свойства растительных масел и некоторых их растворов в широком интервале температур и давлений

Автореферат докторской диссертации

 

    На правах рукописи

ЮСУПОВ Шаъбони Тагоевич

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ И НЕКОТОРЫХ ИХ РАСТВОРОВ

В ШИРОКОМ ИНТЕРВАЛЕ ТЕМПЕРАТУР И ДАВЛЕНИЙ

 

Специальность:01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени

доктора технических наук

Казань 2011

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты пищевых производств» Технологического университета Таджикистана и кафедре «Теплотехники и теплотехнического оборудование» Таджикского технического университета имени академика М.С. Осими.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Сафаров Махмадали Махмадиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Глебов Геннадий Александрович

 

доктор технических наук, профессор

Гумеров Фарид Мухамедович

 

доктор технических наук, профессор

Рудобашта Станислав Павлович

Ведущая организация:

ГОУ ВПО Московский национальный исследовательский университет (МЭИ)

Защита диссертации состоится «  28  » марта 2012 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева – КАИ по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10 (зал заседаний Ученого Совета).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке КНИТУ им. А. Н. Туполева – КАИ. Электронный вариант автореферата размещен на сайте:

referat_vak@obnadzor.gov.ru

Автореферат разослан «    22     » декабря 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент                                   А.Г. Каримова


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Знание теплофизических и термодинамических свойств веществ (растительные масла и их растворы в органических растворителях) имеет большое значение для развития теоретических представлений об агрегатном состоянии веществ и решения практических задач, связанных с технологиями переработки масличных культур. Для использования достижений науки на практике, необходимо знание свойств маслосодержащих веществ и продуктов их переработки, которые подвергаются хранению, технологической обработке и применению. Среди различных свойств веществ важное место занимают теплофизические свойства растительных масел и их количественные характеристики, которые широко применяются в народном хозяйстве, в частности, в биотехнологии и пищевой промышленности. Немаловажную роль играет рациональное использование энергетических ресурсов, так как в условиях энергетического дефицита природных горюче-смазочных материалов масличные растения являются возобновляемым и экологически безопасным сырьем.

Развитие, совершенствование и интенсификация процессов тепловой обработки растительных масел базируются на основных принципах современной технологии: знания анализа их теплофизических свойств как объектов обработки для выбора оптимальных режимов технологического процесса и на этой основе создание рациональной конструкции аппаратов для производства биотоплив и переработки маслосодержащего растительного сырья.

Вместе с тем, современная наука решает и обратную задачу, т.е. разработку способов прогнозирования свойств веществ с целью получения конечных продуктов с заранее заданными теплофизическими свойствами. При этом, большое значение имеет знание о составе и свойствах растительных масел как многокомпонентных систем и разработка методов предварительного вычисления их теплофизических и термодинамических свойств.

Таким образом, определение и оценку значений теплофизических свойств (ТФС) растительных масел следует связывать с другими их свойствами, а также с методами обработки в различных технологических процессах, т.е. определять реальные характеристики маслосодержащих семян и плодов.

В связи с тем, что при термической обработке изменяются свойства продуктов и в частности их ТФС, большое значение имеет разработка методов, позволяющих определять эквивалентные характеристики непосредственно в процессе термической обработки или при создании аналогичных условий с учетом налагающихся на теплообмен явлений (массообмен, фазовый переход, химические реакции и др.). При выборе методов определения ТФС продуктов следует учитывать следующие общие требования:

1. Выбранные методы и методики должны надежно обеспечивать в опыте краевые тепло- и массообменные условия, соответствующие этим условиям в конкретном технологическом процессе. Только в этом случае полученные значения ТФС можно надежно использовать для анализа и расчета данного технологического процесса.

2. Целесообразно выбирать комплексный метод, который позволяет за один опыт, с одним образцом и на одном приборе определить два или три ТФС. В этом случае систематических погрешностей, связанных с неоднородностью образцов будет меньше, чем при определении ТФС на двух или трех приборах и с разными образцами.

3. Для обеспечения в опытах краевых тепло- и массообменных условий, соответствующих конкретному технологическому процессу, необходимо обеспечить следующее :

- условия тепло- и массообмена, для чего образец должен непосредственно контактировать с нагревающей или охлаждающей средой, что характерно для реального технологического процесса;

- в опыте желательно использовать тот вид теплоносителя, который применяется в реальном технологическом процессе;

- тепловой режим в опыте, как и в реальных теплофизических процессах, связанный с изменением энтальпии продуктов должен основываться на закономерностях нестационарного теплообмена;

- показатели температур в опыте должны быть такими же, как в реальном технологическом процессе;

- для получения достоверных значений истинных ТФС растительных масел необходимо обобщить данные достаточно большого числа опытов, так как ТФС одного и того же масла из-за различия физико-химических, физико-механических и химических показателей, а также разной структуры ткани могут различаться.

Однако современное состояние исследования ТФС нельзя считать удовлетворительным. На основании  изложенного, исследование ТФС растительных масел их растворов имеет большое практическое значение.

Для совершенствования и оптимизации технологических процессов необходимы научно-обоснованные инженерные расчеты, которые опираются на данные о теплопроводности, теплоемкости, плотности и температуропроводности растительных масел в широком интервале температур и давлений.

Диссертационная работа посвящена исследованию теплопроводности, плотности, теплоемкости и температуропроводности растительных масел (соевое, кунжутное, кукурузное, подсолнечное, оливковое, хлопковое, миндальное, сафлоровое), а также теплопроводности, теплоемкости растворов хлопкового масла с бензином, n-гексаном и 2-метилпентаном, плотности растворов сафлорового масла с бензином, n-гексаном и диэтиловым эфиром, которые включены в координационный план важнейших научно-исследовательских работ по комплексной программе «Теплофизика» АН Республики Таджикистан в интервале температур 293-523 К и давления 0,101-49,01 МПа.

Работа выполнена по плану координации научно-исследовательских работ в области естественных и общественных наук АН Республики Таджикистан на 1990-1995, 1995-2005 и 2006-2010 гг. по теме “Теплофизические свойства веществ” (№ госрегистрации 81081175, 01.03292, 000 000 940 и 181-0106 № ТД466) по направлению 1.9.7 «Теплофизика».

Цель настоящей работы заключалась в установлении закономерностей взаимосвязи теплофизических и термодинамических свойств растительных масел и их растворов в широком интервале температур и давлений для получения конечных продуктов с заранее заданными свойствами.

Поставленная цель достигалась решением следующих задач:

1. Усовершенствование экспериментальных установок для измерения теплофизических свойств (теплопроводность, теплоемкость, плотность и температуропроводность) растительных масел при высоких давлениях и температурах.

2. Получение экспериментальных значений теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости, температуропроводности растительных масел, растворов системы хлопкового и сафлорового масел и растворителей в интервале температур 293-523 К и давлений 0,101-49,01 МПа.

3. Установление зависимости теплофизических свойств растительных масел и системы хлопкового и сафлорового масел и растворителей (n-гексан, 2-метилпентан, экстракционный бензин, диэтиловый эфир) от температуры, давления и массовой концентрации растворителей.

4. Получение аппроксимационных зависимостей, устанавливающих взаимосвязь теплопроводности, теплоемкости, плотности с температурой, давлением и особенностями структуры исследуемых объектов. Выявление механизма переноса тепла в растворах.

5. Получение обобщенного уравнения для расчета теплопроводности, удельной теплоемкости, температуропроводности в зависимости от температуры, давления, плотности, молярной массы, массовой концентрации растворителей.

6. Установление взаимосвязи теплофизических свойств исследуемых объектов в широком интервале давлений и температур.

7. Выбор и разработка модели структуры с взаимопроникающими компонентами и метода расчета теплопроводности системы (растительное масло – растворитель).

8. Определение уравнения состояния (УС) для исследуемых объектов.

9. Составление таблиц, рекомендуемых для справочных данных по теплофизическим свойствам исследуемых объектов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1.Усовершенствованы экспериментальные установки для исследования плотности (по методу гидростатического взвешивания); теплопроводности (по методу цилиндрического бикалориметра регулярного теплового режима первого и второго рода); теплоемкости (по методу монотонного разогрева); температуропроводности (метод калориметра, изотермический источник теплоты). Предложены новые конструктивные и методические решения при разработке установок для учета специфических особенностей растительных масел и растворов.

2. Получены экспериментальные данные по теплопроводности, теплоемкости, плотности и температуропроводности растительных масел (хлопковое, соевое, кунжутное, кукурузное, миндалевое, облепиховое, подсолнечное, сафлоровое), а также растворов системы хлопкового и сафлорового масел и растворителей (25, 50, 75% масс.) в широком интервале температур при давлениях 0,101-49,01 МПа.

3. Получены аппроксимационные зависимости, описывающие Р-r-Т, Р-ср-Т, Р-l-Т, Р-а-Т; l=f(r), cp = f(r), a = f(r). С помощью Р-r-Т зависимостей рассчитаны коэффициент теплового расширения aр, изотермическая сжимаемость bт, термический коэффициент давления g, внутреннее давление Рi, разность теплоемкостей ср-сv, изобарная и изохорная теплоемкости, энтальпия, энтропия исследуемых объектов при различных температурах и давлениях.

4. При обобщении экспериментальных данных получены эмпирические уравнения для расчета теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности исследуемых объектов в зависимости от температуры и давления.

5. Установлена взаимосвязь теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности с плотностью исследуемых объектов в широком интервале (температур 293-523 К, давлении 0,101-49,01 МПа).

6. Предложена модель структуры с взаимопроникающими компонентами растворов (хлопкового и сафлорового масел и растворителей), проведен анализ процесса теплопереноса и на его основе рассчитана теплопроводность исследуемых растворов.

7. Разработана методика обобщения уравнения состояния Тейта для группы подобных веществ и показана возможность применения этого уравнений к другим объектам исследования.

8. Составлены таблицы экспериментальных данных по теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости и температуропроводности исследуемых объектов в интервале температур 293-523 К и давлений 0,101-49,01 МПа.

9. Разработан новый метод описания, обобщения и прогнозирования теплофизических характеристик исследуемых объектов.

10. Разработаны методы расчета термодинамических и калорических свойств и коэффициентов уравнений состояния типа Тейта для исследуемых объектов.

Практическая значимость работы:

1. Получены данные по ТФС растительных масел (хлопкового, подсолнечного, соевого, кукурузного, кунжутного, оливкового, облепихового, сафлорового) и растворов (хлопкового и сафлорового масел с растворителями: n-гексан, 2-метилпентан, экстракционный бензин, диэтиловый эфир) в интервале температур 293-523 К и давлений 0,101-49,01 МПа, которые составляют  основу справочника «Теплофизические свойства растительных масел» (Сафаров М.М., Юсупов Ш.Т., Тагоев С.А., Зарипова М.А.Душанбе, 2002. 80с.)

2. Результаты научных исследований по теплофизическим свойствам изучаемых объектов использованы в технологии переработки масличных семян на Масложиркомбинате г. Душанбе и г. Курган-Тюбе, что в результате привело к совершенствованию технологии производства растительных масел. Полученные аппроксимационные зависимости по теплопроводности, теплоемкости, плотности, температуропроводности и уравнение состояния используются для инженерных расчетов, а экспериментальные данные могут быть применены при проектировании оборудования, предназначенных для производства биотоплива из продуктов переработки растительных масел.

3. Разработанная аппаратура для измерения ТФС растворов и жидкостей используется в лабораториях кафедры «Теплотехники и теплотехнического оборудования» Таджикского технического университета им. М.С. Осими и кафедры «Машины и аппараты пищевых производств» Технологического университета Таджикистана аспирантами и преподавателями для выполнения диссертационных работ и студентами при выполнении курсового и дипломного проектирования.

4. На основе экспериментальных установок для измерения ТФС веществ и методов их расчета разработаны методические пособия по дисциплине «Основы теплофизики» и «Теплотехники» (Сафаров М.М. и др. Душанбе, 1996); методические указания для выполнения лабораторных работ (на таджикском языке) по «Теплотехнике» (Сафаров М.М. и др. Душанбе, 2002) для обучения по специальностям технологического и технического профиля (Технологический университет Таджикистана и Таджикский технический университет им. академика М.С. Осими).

На защиту выносится:

1. Экспериментальные установки и обоснование возможности их применения для исследования теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности и температуропроводности растительных масел и их растворов при высоких параметрах состояния.

2. Автоматизированный теплофизический комплекс, с помощью которого исследуется теплопроводность жидкостей и растворов в широком интервале параметров состояния.

3. Экспериментальные данные по теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости, температуропроводности растительных масел и растворов хлопкового и сафлорового масел с растворителями в диапазоне температур 293-523 К и давлений 0,101-49,01 МПа.

4. Методы расчета теплофизических свойств растворов растительных масел и анализ процесса теплопереноса в исследуемых объектах.

5. Аппроксимационные зависимости и уравнения состояния для расчета теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости и температуропроводности исследуемых объектов.

6.Обобщенные уравнения для расчета теплопроводности и удельной теплоемкости исследуемых растворов в зависимости от температуры 293-523 К и давления 0,101-49,01 МПа.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях Технологического университета Таджикистана (Душанбе, 1995-2007 гг.), 2, 4 и 5 Международных теплофизических школах (Тамбов, , 1998, 2004, 2007 гг.), 14 Европейской конференции «'Теплофизические свойства веществ» (Франция, Лион, 1996 г.), 23 Международной конференции «Теплопроводности материалов» (США, Оак Ридж, 1995 г.), Международной конференции по изучении свойств материалов (ASTM), Канада, 1996 г.; 24 Международной конференции «Теплопроводности материалов» и 12 Международной конференции «Коэффициент теплоотдачи» (США, Питсбург, 1997 г.), Международной конференции «Физика конденсированный состояний», Душанбе, 1998 г., Международной конференции посвященной 1200-летию Ахмада ибн Мухамада ал-Фароби, Ташкент, 1998 г., 25 Международной конференции «Теплопроводности материалов» и 13 Международной конференции «Коэффициент теплоотдачи»” (США, Ен Арбор, 1999 г.), 15 Европейской конференции «Теплофизические свойства веществ» (Германия, Бохур, 1999 г.), 13-я Международной конференции по изучении свойств веществ (Лондон, 2001 г.), 11 Международной конференции по изучении свойств веществ (Япония, 2000 г.), 11 Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Санкт-Петербург, 2005 г.), Международной конференции «Горные регионы Центральной Азии. Проблемы устойчивого развития», (Душанбе, 1999 г.); 9 Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Плес, 2004 г.), Международных конференциях «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах», (Махачкала, 2004, 2005, 2007 гг.); 2 Международной конференции «Перспективы развития науки и образования в 21 веке», (Душанбе, 2006 г.).

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты исследования, выполненные автором как самостоятельно, так и совместно с аспирантами на правах соруководителя. Автору принадлежат: постановка задачи, экспериментальные измерения теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости и температуропроводности исследуемых объектов в широком интервале параметров состояния; описание и обобщение результатов измерений существующими методами; разработка нового метода описания, обобщения и прогнозирования теплофизических характеристик исследуемых объектов. Основные обобщающие положения диссертации сформулированы лично автором. На разных этапах при выполнении измерений принимали участие аспиранты Тагоев С.А. и Курбонов Ф.Б. Из опубликованных в соавторстве работ использовались только те материалы, в которые автор внес равноценный вклад (в постановку задачи, участие в экспериментах, трактовка и обобщение полученных результатов).

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов, различных расчетов подтверждаются проведением разработанных алгоритмов на большом количестве известных задач и соответствующих экспериментальных данных, полученных в результате независимых исследований, а также анализами физико-химических методов.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 57 научных работ, в т.ч. 14 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 9 статьи в сборниках международных конференций, 22 – тезисов докладов, 7 – статьи в трудах Технологического университета Таджикистана, две методические разработки, одна монография, один справочник и один патент.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка используемой литературы (457 наименований) и приложения. Содержание работы изложено на 286 страницах компьютерного набора, включая 118 таблиц и 83 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, изложены научные и практические результаты, выносимые на защиту.

В первой главе приводится литературный обзор физико-химических характеристик объектов исследования и технологические схемы их переработки, а также показаны результаты химического анализа состава исследуемых объектов методом ИК-спектроскопии и изложены сведения о применении продуктов переработки растительных масел для производства биотоплива.

Во второй главе приводится анализ существующих методов исследования теплофизических свойств растительных масел, описание схемы экспериментальных установок для исследования теплофизических свойств в зависимости от температуры, а также оценки погрешностей экспериментальных данных.

В третьей главе приводятся различные варианты экспериментальных установок для измерения теплопроводности, удельной теплоемкости и определения плотности жидкостей, растительных масел и контрольных веществ в зависимости от температуры и атмосферного давления. Рассмотрена установка, предназначенная для комплексного определения теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности жидкостей при атмосферном давлении, разработанная и запатентованная при участии автора работы.

В четвертой главе приведены экспериментальные исследования термодинамических и теплофизических свойств растительных масел и некоторых их растворов в широком интервале температур и давлений; приведены термодинамические расчеты для сафлорового масла и его растворов.

Пятая глава посвящена методам расчета и обобщения теплоемкости и температуропроводности жидкостей. Обобщены полученные данные по теплоемкости и теплопроводности на основе метода подобия процессов молекулярного переноса.

В шестой главе приведено теоретические обобщенные экспериментальные данные по термодинамическим и теплофизическим свойствам растительных масел.

Получены аппроксимационные зависимости исследуемых объектов в зависимости от температуры, давления и концентрации растворителей, а также результаты расчета термических и калорических свойств исследуемых систем.

В приложении приводятся таблицы сравнения вычисленных по предложенной автором аппроксимационной зависимости значений теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости, температуропроводности растительных масел, а также растворов сафлорового масла и растворителей (концентрации 25, 50, 75% масс.) в зависимости от температуры и давления.

ГЛАВА 1. Физико-химические характеристики объектов исследования и

технологические схемы их переработки

Объектом исследования являются растительные масла: подсолнечное, хлопковое, соевое, кунжутное, облепиховое, кукурузное, оливковое, миндальное, сафлоровое. Объектами исследования также являются растворы хлопкового и сафлорового масел с экстрагентами (экстракционный бензин, n-гексан, 2-метилпентан, диэтиловый эфир). Растворители (экстрагенты) применяются для экстракции масел из масличного сырья.

1.1. Химический состав масел и масличного сырья

Физико-химические показатели исследуемых масел

Основным сырьем для производства растительных масел являются плоды и семена растений, относимых к группе масличных. Важнейшими масличными культурами в странах СНГ являются подсолнечник и хлопчатник. Большое внимание уделяется переработке семян сои, а также семян рапса новых сортов, из которых получают пищевое масло и высокобелковый шрот. Другие масличные культуры (кунжут, кукуруза, олива, миндаль, лен, клещевина, горчица и др.) перерабатываются в относительно небольших объемах.

Перспективными источниками получения растительных масел являются маслосодержащие отходы пищевых производств – фруктовые косточки, а также отруби и зародыши, отделяемые при выработке муки и крупы от зерна пшеницы, кукурузы, риса и других зерновых культур.

Масложировая промышленность перерабатывает в основном масличное сырье, производимое в данной стране. Химический состав семян подсолнечника приведен в табл. 1

Таблица 1 – Химический состав семян подсолнечника

Состав

Содержание, %

В семенах

в ядре

Липиды

52-54

64-66

Белки (N х 6,25)

14-16

16-19

Целлюлоза

13-14

1,7-2,1

Зола

2,9-3,1

3-3,2

В состав подсолнечного масла входят следующие жирные кислоты (в %): стеариновая – 1,6-4,6; арахиновая – 0,7-0,9; пальмитиновая – 3,5-6,4; олеиновая – 25-35; миристиновая – до 0,1; линолевая – 55-72.

В состав хлопкового масла входят следующие жирные кислоты (в %): стеариновая – 1,6-4,9; арахиновая – 1,1-1,2; пальмитиновая – 17,9-22,5; олеиновая – 16,6-26,6; линолевая – 45-59,4. Химический состав семян хлопчатника приведен в табл. 2.

Таблица 2 – Химический состав семян хлопчатника

Состав

Содержание, %

в семенах

в ядре

Липиды

22-24

38-39

Белки

25-29

34-37

Целлюлоза

18-19

1,2-2,4

Зола

4,1-4,3

3,9-5,2

Специфической особенностью семян хлопчатника является присутствие в них высокотоксичного химического соединения – госсиполя. Госсипол является нервным ядом для животных и человека. При переработке семян он переходит и в масло и в волокно. Удаление госсиполя из этих продуктов является обязательным.

Таблица 3 – Химический состав семян сои

Состав

Содержание, %

Липиды

19,2-21,1

Белки (N х 6,25)

35,8-43,6

Целлюлоза

4,3-5,3

Зола

2,8-5,6

Химический состав семян сои приведен в табл. 3. В состав соевого масла входят следующие жирные кислоты (в %): стеариновая – 3-5; арахиновая – 0,4-1; пальмитиновая – 6-8; олеиновая – 25-36; линоленовая – 2-3; линолевая – 52-65. В состав оливкового масла входят следующие жирные кислоты (в %): стеариновая – 1-1,5; арахиновая – 0,1-0,15; пальмитиновая – 9,5-9,7; олеиновая –64-85; миристиновая – 0,2-1,1; линолевая – 4-12. В состав кунжутного масла входят следующие жирные кислоты (в %): стеариновая – 3,3-3,6; арахиновая – до 1; пальмитиновая – 3,5-9,9; олеиновая – 36-48; линоленовая – 0,2-0,3; линолевая – 35,8-55,6; эруковая – 0,2-0,3. В состав кукурузного масла входят следующие жирные кислоты (в %): стеариновая – 2,5-4,5; арахиновая – 0,28-0,4; пальмитиновая – 6-8; олеиновая – 42-45; линоленовая – 1,2-1,8; линолевая – 40-48; лигноцериновая – до 0,2.

Фруктовые плодовые косточки являются отходами консервного производства. На маслодобывающие заводы поступают косточки абрикосов, сливы, вишни, миндаля и др. Масло сосредоточено в ядре косточек, покрытых прочной одревесневшей оболочкой. Химический состав ядер приведен в табл. 4.

Таблица 4 – Химический состав ядер косточек

Состав

Содержание в ядре косточки, %

абрикоса

сливы

вишни

миндаля

Липиды

34-45

30-60

30-39

42-53

Белки (N x 6,25)

24-26

23-24

21-24

21-34

Целлюлоза

5-6

6-7

5-16

4-6

Зола

3-4

2-4

1-2

2-4

Семена сладкого миндаля содержат в %: невысыхающего жирного масла 45-62 (83% глицеринов олеиновой и 17% линолевой кислот), белков около 20, сахарозы 2,97, пентозы 3,1-3,8, слизистые вещества и следы гликозида амигдалина.

Химические показатели являются особенно важными для характеристики качества и природы масел. Ими являются кислотное число, число омыления, йодное число, число Генера и т.д. Основными физическими показателями масел являются плотность, показатель преломления, вязкость, температура плавления и застывания. Физические и химические показатели исследуемых масел приведены в табл. 5 и 6.

5 и 6.

Таблица 5 – Физические показатели исследуемых масел при 20°С

Масло

Плотность, кг/м3

Вязкость,

10-3 Па?с

Показатель

преломления

Температура

застывания, °С

Оливковое

914-929 (15°С)

71,3-87,9

1,466-1,471

от 0 до -6

Кунжутное

918-924

50,8-55,6

1,471-1,476

от -3 до -7

Хлопковое

918-932

59,2-73,4

1,466-1,471

от 5 до -6

Соевое

921-931

53,2-65,8

1,474-1,478

от -15 до -18

Кукурузное

914-921

65,7-72,3

1,471-1,474

от -10 до -20

Подсолнечное

917-920

54,6-59,8

1,473-1,475

от -15 до -19

Таблица 6 – Химические показатели исследуемых масел при 20°С

Масло

Число омыления

Число Генера

Йодное число

Родановое число

Оливковое

185-200

95-96

72-90

75-79

Кунжутное

185-197

95-96

103-117

75-77

Хлопковое

189-199

95,5-96,5

101-116

61-69

Соевое

186-195

94-96

120-140

79-83

Кукурузное

186-193

89-86

111-133

77-79

Подсолнечное

186-194

93,5-95,5

119-144

74-89

Как видно из табл. 5 и 6, физические и химические показатели масел лежат в некотором интервале значений. Это объясняется тем, что данные показатели зависят от особенностей сырья, из которого получены масла, в том числе условий выращивания растения, способа извлечения масла, качества сырья и т.д.

Для уточнения химической структуры растительных масел (хлопкового, кунжутного, подсолнечного, кукурузного, персикового, льняного, абрикосового) получены ИК-спектры на ИК-спектрометре Spector-75JR в диапазоне волновых частот 500-4000см-1 с использованием тонкой пленки масел на стекле. Ошибка при определении интенсивности поглощения не превышала 0,3%.

Рис. 1 – ИК-спектр подсолнечного масла

Рис. 2 – ИК-спектр кукурузного масла

Рис. 3 – ИК-спектр персикового масла

Рис. 4 – ИК-спектр абрикосового масла

Анализ экспериментальных и литературных данных показал, что ИК-спектры исследуемых растительных масел полученные нами, соответствуют литературным данным (табл. 7 и 8), что позволяет достоверно оценить химический состав масел.

Таблица 7 – Характерные полосы поглощения в ИК-спектрах масел, см-1

Наименование масла

 

облепиховое

кукурузное

соевое

оливковое

глицерин

1

3471

3471

3480

3471

3363

2

3008

3008

3009

3000

2939

3

2923

2923

2923

2923

2835

4

2854

2854

3030

2854

1643

5

1743

1743

1743

1743

1334

6

1650

1650

1650

1651

1218

7

1457

1457

1437

1437

1110

8

1373

1373

1373

1373

1040

9

1234

1234

1234

1234

836

10

1164

1164

1164

1164

621

11

1103

1103

1103

1103

516

12

910

910

910

910

 

13

725

728

725

725

 

14

594

593

384

384

 

Таблица 8 – Характерные полосы поглощения в ИК-спектрах масел, см- (лит.)

Наименование масла

 

хлопковое

подсолнечное

кукурузное

кунжутное

абрикосовое

персиковое

1

3620

3620

3680

3650

4600-3100

4600-3100

2

3460

3471

3471

3290

3001

3001

3

3000

3008

3008

3008

1923

1923

4

2023

2923

2923

2923

2850

2850

5

2855

2854

2854

2854

2300

2300

6

2650

2677

2300

2300

1743

1743

7

2300

2300

1743

1733

1450

1450

8

1740

2021

1650

1640

1373

1373

9

1650

1740

1457

1500

1200

1200

10

1462

1650

1373

1457

1164

1164

11

1377

1452

1234

1373

 

 

12

1200

1373

1164

1200

800

 

13

1165

1238

1237

1165

 

 

14

1083

1165

1103

1103

 

 

15

721

1103

910

800

 

 

16

553

872

725

725

 

 

17

 

660

584

 

 

 

наличие очень слабых полос 3670-3400 см-1 характерно для свободных мономерных и димерных гидроксильных групп и предполагает наличие в смеси небольших количеств моно- и диацилглицеринов, широкая полоса 3200-3400 см-1 характерна для полиассоциированных гидроксильных групп.

Следует отметить следующие особенности в ИК-спектрах, характерные для всех масел:

  1. полоса 1373 см-1 характеризует деформационные колебания связи C-H центрального атома глицеринового фрагмента в маслах;
  2. полоса 1164-1165 см-1 вызвана валентными колебаниями связи –C-O–, что характерно для эфиров высших карбоновых кислот;
  3. сильная полоса 1740-1744 см-1 характерна для валентных колебаний карбонильной группы связи –C=O;
  4. полосы 3300-3009 см-1 отвечают за валентные ассиметрические и симметрические колебания в структуре R-CH=CH-R, что свидетельствует о наличии ненасыщенных жирных кислот преимущественно в цис-конфигурации;
  5. полоса 2350 см-1 характерна для сопряженных связей -HC=C=CH-, что наиболее выражено для льняного масла, в котором содержание линоленовой кислоты составляет 47-54%; другие группы в этой области не имеют сильного поглощения, за исключением двуокиси углерода; сильная полоса, характеризуемая волновым числом 2350 см-1, проявляется во всех спектрах, полученных на однолучевых приборах, и пик проявляется при работе на двулучевом приборе при недостаточно хорошей компенсации рабочего пучка и пучка сравнения;
  6. полоса колебаний 1650 см-1 характеризует валентные колебания –C=C;
  7. полосы ассиметричных, симметричных и ножничных валентных колебаний 2924, 2855, 1462 см-1 демонстрируют наличие группы –CH2, что подтверждает присутствие в образцах фрагментов высших алифатических кислот; колебания в области 720-725 см-1 соответствуют маятниковым колебаниям нескольких связанных групп –CH2, к ним же относится и полоса 1165 см-1 в спектрах всех масел.

Таким образом, идентичный состав растительных масел (кунжутное, кукурузное, подсолнечное, хлопковое, соевое, и оливковое) позволяет помимо прямого назначения как пищевых продуктов использовать их в производстве многочисленных лекарственных веществ, в качестве дисперсионной среды для смазочных материалов и как компонент биотоплива.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

Теплофизические свойства веществ в жидком состоянии описываются общими законами теплофизики. Основные теплофизические характеристики (теплопроводность, удельная теплоемкость и коэффициент температуропроводности) рассчитываются теоретическим способом, но большей частью определяются экспериментально.

Классификации методов определения теплофизических характеристик до настоящего времени не существует. Для различных продуктов в разных агрегатных состояниях предлагаются определенные методы, анализируются погрешности, даваемые каждым методом, и преимущества использования данного метода (или группы методов) для определенных видов продуктов. За последние годы попытки классифицировать методы определения теплофизических характеристик пищевых продуктов были сделаны А.С. Гинзбургом и В.С. Уколовым Э, М. Адамом и другими авторами.

В трудах А.В. Лыкова, Г.М. Кондратьева, А.Ф. Чудновского, Л.П. Филиппова описаны различные методы определения теплофизических характеристик, часть из которых может быть использована для исследования теплофизических свойств растительных масел.

2.1. Методы определения теплопроводности

В практике применяется много различных методов определения теплопроводности материалов. Все методы можно разделить на две группы: методы, основанные на нестационарном тепловом режиме (нестационарные методы), и методы, основанные на стационарном тепловом режиме (стационарные методы).

Нестационарными методами измерения теплопроводности называются такие методы, в которых в процессе измерения теплопроводности температура является функцией времени: Т = f(t).

Стационарными методами измерения теплопроводности называются такие методы, в которых в процессе измерения теплопроводности температура не зависит от времени.

Преимущество нестационарных методов определения теплопроводности по сравнению со стационарными методами состоит в том, что исследуемый материал при нестационарном методе не выдерживается длительное время до постоянной температуры. При этом ускоряется проведение эксперимента, что особенно важно для влажных материалов.

Метод регулярного режима. Экспериментальное определение теплопроводности материалов заключается в следующем. Исследуемый образец, помещенный в жесткую оболочку (если это сыпучий или волокнистый материал), охлаждают или нагревают в среде с постоянной температурой q. Наблюдают за изменением температуры Т в какой-либо фиксированной точке тела. Фиксируют время t и соответствующие им показания прибора, предназначенного для измерения температуры. По расчетной формуле определяют теплопроводность материала.

Метод Л.П. Филиппова, применяемый для определения теплопроводности жидких пищевых продуктов и других материалов. В.А. Милчевым для пищевых продуктов был применен метод Л.П. Филиппова который можно считать принадлежащим к относительному методу коаксиальных цилиндров. На рис. 5 изображена схема опытной установки и прибора Филиппова. Исследуемой жидкостью заполняют цилиндрический слой между внутренним и внешним стеклянными трубками. Во внутренней трубке диаметром 4?10-3 м и длиной 80?10-3 м помещают нагревающий элемент, который намотан бифилярно вокруг изолированной термопары медь-константан. Внутреннюю трубку заполняют маслом, а внешнюю – водой постоянной температуры. Один спай термопары находится в трубке с маслом, а другой – в воде, образуя дифференциальную термопару. Разность температур в слое исследуемого кукурузного экстракта, применявшегося в опыте, с повышением температуры в водяной рубашке прибора изменялась обратно пропорционально теплопроводности жидкости. Искомую разность температур в слое исследуемого раствора измеряют как ЭДС дифференциальной термопары посредством потенциометра с точностью до 0,01мВ. При заданной температуре воды в водяной рубашке прибора и постоянном напряжении U нагревателя по DЕэдс дифференциальной термопары определяют теплопроводность исследуемой жидкости. Вид этой зависимости устанавливают после градуировки прибора, используя жидкости с известной теплопроводностью.

Рис. 5 – Схема установки В.А. Милчева

для определения теплопроводности:

1 - автотрансформатор; 2 - ЛАТР;

3 - прибор Филиппова; 4 - потенциометр;

5 - термостат

Для градуировки прибора используют дистиллированную воду и глицерин. Теплопроводности этих жидкостей неоднократно проверены по абсолютному методу, поэтому считаются достоверно известными. Экспериментальная установка для измерения теплопроводности с использованием прибора Филиппова сравнительно проста, и l определяется достаточно быстро с точностью 3-5%. Методика проведения опытов по определению l состоит в следующем. Исследуемую жидкость засасывают в пространство между двумя стеклянными трубками, после чего края в нижней части прибора закрывают. В термостате 5, соединенном с водяной рубашкой прибора, обеспечивается заданная температура. Величину l определяют при помощи потенциометра (4), измеряющего ЭДС дифференциальной термопары.

2.2. Методы определения плотности жидкостей

Плотность жидкостей исследуется как функция температуры и давления. Существующие методы экспериментального определения плотности жидкостей при различных температурах и давлениях подразделяется на две основные группы: пьезометрические и гидростатическое взвешивание.

Метод гидростатического взвешивания основан на определении веса твердого тела (поплавка) в воздухе, воде и исследуемой жидкости. Плотность исследуемой жидкости рассчитывается по формуле:

,                          (1)

где G1 – вес твердого тела в воздухе; G2 – вес твердого тела с подвеской из проволоки в исследуемой жидкости; G3 – вес подвеса из проволоки в исследуемой жидкости; G4 – вес твердого тела с подвеской из проволоки в воде; G5 - вес подвеса из проволоки в воде.

Точность определения плотности жидкости этим методом 0,001%.

Метод пьезометра переменного объема относится к хорошо разработанным и широко используемым методам в исследовательской практике. Пьезометр - сосуд, способный выдерживать давление в опыте. Обычно объем пьезометра точно измеряется. Суть метода сводится к следующему. Определенная масса жидкости m изотермически сжимается в пьезометре до точно известного объема V. Плотность жидкости определяется по формуле:

                                                  (2)

Количество жидкости в пьезометре во время опыта остается постоянным; объем, занимаемый жидкостью, изменяется с изменением давления. Принципиальная схема установки изображена на рис. 6 а. В пьезометр 3 заключено исследуемое вещество. По каналу (линии давления) создаваемое прессом давление передается на ртуть, которая сжимает вещество в пьезометре. Уровень ртути фиксируется по изменению показания вольтметра в момент замыкания одного из контактов ртутью. Объем пьезометра до каждого из контактов точно измерен. В случае исследования жидкости вдали от критической точки лучше применять пьезометр, изображенный на рис.6 б. Жидкость в этом случае имеет малую сжимаемость, и для заметного изменения объема необходимо брать большую начальную массу ее.. Пьезометр 3 окружен нагревателем 1. Температура пьезометра контролируется термопарой 2. Поршень 4, тщательно притертый к стенкам пьезометра, сжимает жидкость в пьезометре. О перемещении поршня судят по изменению сопротивления, размещенного в корпусе 5 константановой проволочки 7, часть которой шунтируется контактами 6.

Рис. 6,а и б – Схема пьезометра переменного объема:

а - принципиальная схема;

1 - термостат; 2 - корпус; 3 - пьезометр;

4 - контакты; 5 - сопротивления; 6 - батарея; 7 - вольтметр;

8 - реостат; 9 - линия давления; 10 - ртуть;

б - пьезометр для мало сжимаемых жидкостей:

1 - сосуд пьезометра; 4 - контакты

2.3. Методы определения удельной теплоемкости веществ

Для определения удельной теплоемкости пастообразных веществ и жидкостей В.П. Латышев, А.С. Тарасевич и С.И. Волошина в своих исследованиях использовали метод адиабатической калориметрии. Экспериментальная установка для измерения теплоемкости жидкостей в интервале температур 273-473К при атмосферном давлении по методу монотонного разогрева приведена на рис. 7.

Расчетная формула для измерения удельной теплоемкости жидкости имеет вид:

                               (3)

где mx - масса исследуемой жидкости; m1 - масса эталонной жидкости; tcp=(t1 +t2)/2; t1 - время нагревания эталонной жидкости; t2 - время нагревания исследуемой жидкости; В=40,93 и К=-0,04 - постоянные, определяемые по результатам измерения теплопроводности эталонных жидкостей, при постоянной мощности нагревателя. Расчеты показали, что доверительная граница погрешности измерений удельной теплоемкости в относительной форме при a=0,95 составляет – 0,45%, методическая погрешность -1,3%, инструментальная погрешность –1,18%. Общая относительная погрешность измерений ср составляет 3,0%.

Рис. 7 – Схема экспериментальной установки для измерения удельной теплоемкости жидкостей и растворов в зависимости от температуры при атмосферном давлении: 1 – калориметр; 2 – графопостроитель; 3 - сосуд с тающим льдом; 4 - нагреватель; 5 - промежуточное ядро, выполненное в виде цилиндрического радиатора; 6 - дифференциальная термопара; 7 - медный цилиндр; 9,10 - электроизмерительные приборы

Для решения той или иной конкретной задачи измерения теплофизических свойств растительных масел могут быть использованы многие из рассмотренных и известных в технической литературе методов. Выбор того или иного решения обычно основывается на субъективных оценках авторов разработки. Применение метода измерения в полном объеме сопряжено с решением большого числа тепловых задач, требующих применения различных приближенных аналитических решений и численных расчетов. В связи с этим для реализации каждого метода помимо вывода теоретической расчетной формулы, допущений и ограничений требуются дополнительные обоснования, связанные с конструктивной реализацией метода и определением границ применения метода.

Рассмотренные выше методы теплофизических измерений опираются на частные аналитические решения линейного уравнения теплопроводности. Особенности и наиболее важные варианты решения этих уравнений подробно рассмотрены в работе Платунова Е.С.

Таким образом, исследование ТФС растительных масел сложно и связано с изучением их свойств в широких областях температуры и давления. Поэтому измерительные установки дополнительно оснащаются системами вакуумирования, теплоизоляцией, а также системами высокого давления. Кроме того, в эксперименте с жидкостями необходимо выполнять такие важные требования, как подавление конвекции и исключение влияния лучистого теплообмена.

Наиболее выгодным представляется формирование ряда приборов для измерения всех трех величин в одинаковом диапазоне температур с высоким уровнем унификации всех вспомогательных узлов и блоков.


ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ

ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ОТ 293 К ДО 523 К И ДАВЛЕНИЯХ ДО 49 МПа

3.1.1. Экспериментальная установка для измерения теплопроводности растворов в зависимости от температуры по методу монотонного разогрева

Для исследования теплопроводности растительных масел использовали модернизированную установку. Новшествами являются применения целофанового мешочка вместо сильфона в прижимном сосуде высокого давления и система управления теплофизическим экспериментом (теплофизический комплекс). Установка состоит из бикалориметра, прижимного сосуда высокого давления, грузопоршневого манометра МП-2500 и системы управления экспериментом.

Центральным элементом конструкции является цилиндрический бикалориметр, определяющий технические требования к системе управления. Он представляет собой систему медных коаксиально расположенных цилиндров с размещенными в них измерительными преобразователями температуры, внутренними и внешними нагревателями. Полость между цилиндрами заполняется исследуемым веществом. Ядро бикалориметра состоит из измерительного и компенсационного цилиндров. Компенсационный цилиндр служит для исключения аксиальных тепловых потоков (тепловых потерь через торцевые поверхности измерительного цилиндра). Измерения температуры проводятся с помощью термопары хромель-алюмель. Перепад температур на исследуемом слое регистрирует дифференциальная термопара Т1. Дифференциальные термопары Т2 и Т3 (на рисунке не показаны) определяют перепад температур между измерительным цилиндром и компенсационным. Горячие спаи дифференциальных термопар расположены в измерительном цилиндре, а холодные – в корпусе внешнего цилиндра (2). Базовая температура (температура жидкости) определяется термопарой Т2. Горячий спай термопары Т2 расположен в корпусе внешнего цилиндра, а холодный – в сосуде

Дьюара со льдом. Термопары подключены к измерительной установке через нормирующие усилители. Для задания необходимого уровня температуры служит основной нагреватель Н1. Чтобы устранить аксиальные тепловые потоки, используют адиабатические нагреватели Н2 и Н3, размещенные на оболочке калориметра. Перепад температур на границах исследуемого слоя создается нагревателем Н4, который располагается в измерительном цилиндре.

Выбор метода определения теплопроводностей жидкостей, разработка соответствующих устройств контроля, определение диапазона варьируемых параметров состояния и задание класса веществ позволяют сформулировать условия и ограничения снизу при разработке системы управления экспериментом. Расширение возможностей системы обусловлено желанием обеспечить функционирование ряда установок одного класса с помощью одной системы управления. При этом необходимо обеспечить модификацию структуры системы и задавать свои программы эксперимента в каждом конкретном случае. Ограничения системы сверху определяет характер решаемых задач (число информационных каналов, скорость изменения информации, уровни сигналов, число каналов управления, уровни управляющих сигналов, степень сложности реализации алгоритмов и программ управления и экономическая целесообразность. Система представляет собой двухуровневую иерархическую систему управления. Нижний уровень выполняет задачу реализации программы эксперимента: управление температурным полем узлов установки; опрос датчиков; расчет искомых характеристик.

Рис8 – Структура автоматизированной системы управления

Задачи второго уровня: организация взаимодействия устройств нижнего уровня; организация взаимодействия с пользователем (ввод-вывод информации в терминах пользователя); контроль работоспособности установки; управление ходом проведения эксперимента.

Построение автоматизированной системы позволило исследовать адекватность математических моделей реальным процессам, провести ее коррекцию и оценить погрешности измерения для каждого класса исследуемых веществ. Исследования теплопроводности эталонных жидкостей в диапазоне температур 290-544,8К и давлений 0,101-49,1 МПа показали, что максимальная относительная погрешность экспериментальных данных при доверительной вероятности a=0,95 составляет 4,2%.

Устройство и способ комплексного определения теплофизических свойств жидкостей (малый патент №ТJ 100 от 07.01.2008 г) состоит из калориметра с полостью для исследуемой жидкости, в которой помещена тонкостенная металлическая трубка с маломощным нихромовым нагревателем и спаем хромель-алюмелевой термопары, сосуда Дьюара и электроизмерительного прибора. Способ для комплексного определения теплофизических свойств жидкости заключается в том, что исследуемую жидкость помещают в калориметр, нагревают, измеряют разность температур между тонкостенной металлической трубкой и корпусом калориметра, рассчитывают темп охлаждения. Способ позволяет за один опыт определить теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость исследуемых жидкостей.

Схема предлагаемого устройства показана на рис. 9

Устройство состоит из калориметра, изготовленного из меди (1) (наружный диаметр 100 мм, высота 180 мм), по центру которого высверлена полость диаметром 20 мм.

Рис. 9– Устройство для комплексного определения теплофизических свойств жидкости:

1 - внешний цилиндр; 2 - исследуемая жидкость или раствор; 3 – тонкостенная металлическая трубка;

4 - внешний цилиндр; 5, 10 - термопары; 6, 13 - маломощные нагреватели; 7,11 – гальванометр; 8,9 - сосуд Дьюара с водо-ледяной смесью; 12 - металлическая пробка

Темп охлаждения рассчитывается по формуле:

m = (ln q2 – ln q1)/(t2 – t1), 1/с, (4)

где q1, q2перепад температуры между металлической трубкой и внешним цилиндром при времени t1, t2. Значения q1, q2 – определяются градуировочными опытами.

Для определения теплопроводности и температуропроводности исследуемых жидкостей и растворов за один опыт используются следующие уравнения:

l = ACpm, Вт/м·К,                               (5)

a = Km, м2/с,                                        (6)

где А, К – постоянные установки. Они определяются аналитическими методами, т.е.

K = [(2,405/R)2 + (p/l)2]-1, м2              (7)

где l высота полости, которая заполнена исследуемым веществом; К – радиус полости.

Значение А рассчитывается из контрольных измерений. Ср – удельная изобарная теплоемкость металлической трубки (справочные данные).

По известным значениям плотности исследуемых веществ, можно рассчитать удельную изобарную теплоемкость по следующей формуле:

Cp = l/ar, Дж/кг·К.                                        (8)

Как видно из правой стороны (6) все теплофизические характеристики исследуемых веществ определяются экспериментом.

Надо отметить, что все теплофизические характеристики объектов (теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость), можно измерять за один опыт, если известны их плотности.

Установлено, что погрешность измерения комплекса теплофизических характеристик жидкостей и растворов зависит от способа и использованных измерительных приборов. Общая относительная погрешность измерения теплопроводности, температуропроводности, плотности и теплоемкости соответственно равны: l2,5%; а – 3%; r – 0,1% и Ср – 3%. При использовании данной установки необходимо провести контрольные измерения. В качестве контрольных образцов можно использовать толуол, бензол, n-гексан и воду. Теплофизические характеристики вышеназванных образцов изучены достаточно хорошо и подробно представлены в справочниках.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

4.1. Теплопроводность растительных масел в зависимости от температуры и давления

Используя экспериментальную установку (рис. 8), мы исследовали теплопроводность растительных масел в интервале температур 293-523 К и давлений 0,101-49,1 МПа Полученные экспериментальные данные по теплопроводности растительных масел приведены в табл. 9-12 и рис. 10и 11.

Таблица 9 – Экспериментальные значения теплопроводности (l?103, Вт/(м?К))

оливкового масла в зависимости от температуры и давления

Т, К

Давление Р, МПа

0,101

4,91

9,81

19,61

29,32

39,43

49,05

293,6

171,2

172,5

173,6

175,3

176,4

177,5

179,2

313,9

167,5

169,3

170,8

171,9

173,7

175,2

176,3

338,5

162,6

163,7

166,9

168,1

169,8

171,3

172,5

356,7

160,3

162,4

164,3

165,7

167,5

168,7

170,3

383,2

156,3

158,2

160,0

161,9

163,2

164,8

166,3

403,9

151,7

152,9

154,2

159,7

160,4

161,8

162,4

428,6

150,2

150,8

152,8

154,9

156,3

158,1

159,0

453,1

-

147,0

149,3

151,3

152,9

154,8

155,8

478,2

-

143,1

145,8

148,5

149,4

151,3

153,4

503,6

-

139,8

141,9

143,6

145,1

146,9

149,0

528,4

-

136,2

138,7

141,8

143,4

145,1

147,4

Таблица10 – Экспериментальные значения теплопроводности (l?103, Вт/(м?К))

рафинированного хлопкового масла в зависимости от температуры и давления

Т, К

Давление Р, МПа

0,101

4,91

9,81

19,61

29,32

39,43

49,05

293,4

167,4

169,8

170,6

171,5

173,0

174,9

176,0

314,9

164,2

166,1

168,0

169,1

170,5

172,2

173,8

339,5

161,3

162,8

164,5

165,7

167,6

168,3

170,4

359,5

158,1

160,0

161,3

162,8

163,7

166,0

168,1

383,2

155,8

157,1

158,5

160,0

161,5

163,8

165,3

410,5

151,3

153,0

155,0

157,1

158,6

160,0

162,2

424,6

148,7

150,4

152,6

154,2

156,3

157,6

160,0

448,9

-

148,0

150,0

151,5

153,6

154,3

157,6

468,7

-

145,4

147,5

148,6

150,7

152,6

155,0

493,4

-

141,7

143,9

145,6

147,7

149,3

151,5

518,1

-

138,6

140,3

142,6

144,3

146,3

148,7

Таблица11-Экспериментальные значения теплопроводности (l?103, Вт/(м?К)) нерафинированного подсолнечного масла в зависимости от температуры и давления

Т, К

Давление Р, МПа

 

0,101

4,91

9,81

19,61

29,32

39,43

49,1

296,6

161,8

162,9

164,2

165,6

167,2

168,5

170,0

318,4

158,5

160,0

161,3

162,5

164,6

166,0

167,7

343,9

155,3

156,3

157,7

159,3

161,3

162,6

164,1

371,1

151,0

152,6

154,0

155,7

157,3

158,7

160,0

393,6

147,8

149,0

150,6

152,0

153,9

155,6

157,1

423,9

143,7

146,0

147,7

149,2

150,7

152,3

153,9

448,2

-

142,3

143,9

146,0

147,3

148,7

150,5

478,1

-

138,5

140,0

141,8

143,7

145,0

146,8

498,7

-

135,8

137,7

139,1

140,6

142,3

143,9

514,5

-

133,5

135,0

137,4

138,7

140,0

141,8

Таблица12 – Экспериментальные значения теплопроводности (l?103, Вт/(м?К))

кукурузного масла в зависимости от температуры и давления

Т, К

Давление Р, МПа

0,101

4,91

9,81

19,61

29,32

39,43

49,1

293,9

171,9

172,8

173,9

175,7

176,4

177,7

179,2

313,4

169,1

169,9

171,4

172,6

173,8

175,0

177,3

338,1

163,2

165,4

166,5

167,7

170,0

171,1

172,6

358,0

160,1

161,8

163,6

164,9

167,7

168,0

169,8

373,2

157,5

159,4

161,2

162,6

163,8

165,4

167,6

393,9

153,7

156,1

157,5

159,2

161,0

162,6

164,0

409,3

150,4

152,9

155,0

156,9

158,4

160,0

161,9

433,7

-

149,5

151,3

152,2

154,5

156,4

158,7

458,2

-

145,3

147,2

148,6

151,7

152,8

150,0

475,3

-

142,6

143,9

146,2

147,7

150,1

152,3

498,0

-

138,7

141,0

142,6

145,0

147,1

149,8

518,7

-

136,4

138,7

140,0

141,8

142,3

144,8

Рис. 10-. Теплопроводность оливкового масла в зависимости от температуры при давлении, МПа: 1 – 0,101; 2 – 4,9; 3 – 9,81; 4 – 19,61; 5 – 29,32;

6 – 39,43; 7 – 49,05

Рис.11 - Зависимость теплопроводности хлопкового

масла от давления и температуры.

Согласно рис. 10 и 11 и табл. 9-12 результаты экспериментальных исследований показали, что теплопроводность растительных масел с ростом температуры уменьшается, а с повышением давления увеличивается. Согласно математическому моделированию методом наименьших квадратов зависимость теплопроводности от двух параметров для хлопкового масла имеет практически линейный характер (рис. 11). С увеличением температуры расстояние между молекулами растительных масел растет и переход тепла от одного изотермического слоя к другому ухудшается, поэтому с повышением температуры теплопроводность исследуемых объектов уменьшается. Надо отметить, что с ростом температуры влияние давления на теплопроводность жидких растительных масел увеличивается. Например, если увеличение давления до 49,1 МПа при температуре 293К увеличивает теплопроводность жидкого рафинированного подсолнечного масла на 5,03%, то при температуре 518 К это изменение составляет 11,6%. С ростом давления влияние температуры на l жидких растительных масел уменьшается. Например, если при увеличении температуры от 293 до 518 К теплопроводность кукурузного масла уменьшается при давлении 0,101 МПа на 32,3%, то это изменение при давлении 49,1 МПа составляет 23,9%.

4.2. Плотность растительных масел в широком интервале параметров состояния

Используя экспериментальную установку нами исследована плотность растительных масел в интервале температур 293-523 К и давлений 0,101-49,1МПа. Результаты исследования плотности подсолнечного  и кунжутного масел в зависимости от температуры и давления показаны на рис. 12 и 13. Полученные экспериментальные данные по плотности растительных масел приведены в табл.13.

Рис.12-. Зависимость плотности подсолнечного масла от температуры при давлениях P,МПа: 1 – 0,101; 2 – 4,9; 3 – 9,81; 4 – 19,61; 5 – 29,32; 6 – 39,43; 7 – 49,05

Рис.13-. Зависимость плотности рафинированного кунжутного масла от  давления и температуры.

Таблица 13 – Экспериментальное значение плотности (r, кг/м3)

рафинированного кунжутного масла в зависимости от температуры и давления

Т, К

Давление Р, МПа

0,101

4,91

9,81

19,61

29,43

39,24

49,1

291,3

922,3

931,8

942,0

953,2

962,8

973,0

984,1

311,4

910,6

920,0

930,1

940,0

950,7

960,2

972,0

338,4

890,2

902,6

913,4

922,6

935,4

944,5

958,3

358,0

878,3

888,2

900,6

910,7

922,0

932,6

946,5

375,6

864,2

876,0

889,1

900,3

912,6

923,5

937,2

394,2

852,6

863,5

875,0

887,6

900,0

913,6

923,0

414,3

838,0

850,0

862,4

874,3

888,0

900,6

913,0

438,2

822,5

837,2

848,8

860,0

873,1

886,7

900,0

458,1

809,0

821,3

836,5

848,3

862,4

874,0

890,1

748,3

-

809,2

822,4

836,0

846,9

863,1

888,4

499,2

-

794,7

807,7

822,1

837,0

850,0

864,0

523,3

-

780,0

783,5

806,9

823,1

836,5

850,3

Обработка экспериментальных данных табл. 13 методом наименьших квадратов также показала, что отклонения зависимости от линейности не превосходят погрешности эксперимента (рис. 13). Установлено, что с ростом температуры влияние давления на плотность жидких растительных масел увеличивается. С ростом давления влияние температуры на плотность жидких растительных масел уменьшается. Например, если при давлении 0,101 МПа повышение температуры от 293 до 520 К уменьшает плотность нерафинированного хлопкового масла на 20,4%, то при давлении 49,1 МПа это изменение составляет – 13,9%.

4.3. Плотность софлорового масла в зависимости от концентрации растворителя,

 температуры и давления

Экспериментально получены зависимости плотности софлорового масла от концентрации(25, 50, 75% масс.) растворителя (n-гексан, экстракционный бензин, диэтиловый эфир) в интервале температур 293-473К и давлений 0,101-49,1МПа. Экспериментальные значения плотности софлорового масла в зависимости от температуры и давления приводятся в табл. 14.

Таблица 14 – Экспериментальные значения плотности (r, кг/м3)

софлорового масла в зависимости от температуры и давления.

Т, К

P, МПа

4,91

9,81

19,62

29,43

39,24

49,1

293,5

932,5

947,8

960,1

970,5

988,0

1003,0

321,5

901,4

918,5

935,3

950,0

966,7

988,0

332,5

878,5

895,2

912,5

930,0

948,5

970,0

351,6

846,7

868,7

888,9

908,5

926,7

950,0

372,6

832,6

854,1

874,7

893,6

918,7

941,2

391,5

802,3

815,2

850,1

823,4

847,8

923,5

413,6

770,0

794,5

812,3

848,1

862,3

900,8

435,8

742,4

768,7

796,7

812,6

850,6

882,0

Температуропроводность жидких растительных масел с повышением температуры уменьшается во всем интервале изменения давления. С повышением давления температуропроводность растительных масел во всем интервале температуры увеличивается.

Под влиянием внешнего давления молекулы жидкости приближаются друг к другу, что облегчает переход тепла от одного изотермического слоя к другому, поэтому с повышением давления температуропроводность исследуемых масел увеличивается. С увеличением температуры расстояния между молекулами жидкости растет и переход тепла от одного изотермического слоя к другому ухудшается, поэтому с повышением температуры температуропроводность жидких растительных масел уменьшается.

Надо отметить, что с ростом температуры влияние давления на температуропроводность - а, м2/с жидких масел увеличивается. Например, если увеличение давления до 49,1МПа при температуре 293 К увеличивает температуропроводность жидкого хлопкового масла на 14,7%, то при температуре 519 К это изменение составляет 16,4%.

С ростом давления влияние температуры на температуропроводность жидких растительных масел уменьшается.

4.5. Влияние растворителей на поведение теплопроводности и теплоемкости хлопкового масла в широком интервале температур и давлений

Для выявления влияния растворителей на изменение теплопроводности и теплоемкости хлопкового масла, нами на экспериментальных установках измерена теплопроводность и удельная теплоемкость хлопкового масла и его растворов (хлопковое масло + экстракционный бензин, n-гексан и

2-метилпентан: 25, 50, 75% массовая) в интервале температур 293-473 К и давлений 0,101-49,1. Измерения теплопроводности проводились по изотермам. При измерениях теплопроводности шаг температуры составлял 20-30 К, а шаг давления 4,91-9,81 МПа. Измерение удельной теплоемкости исследуемых объектов проводилось по изобарам. При измерениях удельной теплоемкости шаг давления составлял 4,91-9,81 МПа, шаг температуры 30-45 К.

Ранее теплопроводность рафинированного хлопкового масла в интервале температур 273<T<413 К при атмосферном давлении измерена А.С. Гинзбургом и др. Теплопроводность рафинированного хлопкового масла в широком интервале температур и давлений впервые измерена нами. Ранее экспериментально исследована теплопроводность и удельная теплоемкость рафинированного и нерафинированного хлопкового масла с растворителями (экстракционный бензин, n-гексан, 2-метилпентан) в зависимости от температуры при атмосферном давлении.

Результаты нашего исследования по теплопроводности и удельной теплоемкости хлопкового масла и растворителей с погрешностью 3,5% совпадают с разрозненными литературными данными.

Такой же подход может быть использован в отношении влияния высоких давлений на теплопроводности жидких растворов, что подтверждает перспективность применения моделей и методов теории обобщенной проводимости для расчета теплопроводности жидких растворов в широком диапазоне давлений.

Рис.14. Зависимость удельной теплоемкости хлопкового масла от концентрации растворителей при комнатной температуре:

1 – хлопковое масло + экстракционный бензин;

2 – хлопковое масло + n-гексан;

3 – хлопковое масло + 2-метилпентан

Установлено, что теплопроводность растворов хлопкового масла с ростом концентрации растворителя уменьшается. Это явление можно объяснить следующим образом. Общепризнанно, что в полярных жидкостях, таких как n-гексан, 2-метилпентан и чистый бензин, образуется структура, вызванная ближней упорядоченностью. Когда в такие полярные жидкости добавляется масло, ионы стремятся разрушить существующую ближнюю упорядоченность и создать новую структуру, в которой диполи растворителя ориентированы вокруг каждого иона. Этот факт становится особенно значительным в концентрированных растворах, т.к. большая часть молекул растворителя оказывается в сольватных оболочках ионов и не может участвовать в процессе передачи тепла. Находясь в растворе ион как бы экранирует передачу тепла от одной молекулы к другой, которая в конечном счете уменьшает теплопроводность раствора.

Теплоемкость растворов системы хлопкового масла и растворителей (n-гексан, 2-метилпентан и экстракционный бензин) при высоких параметрах состояния исследуется впервые.

Учитывая, что удельная теплоемкость является аддитивной функцией массовых концентраций составляющих компонент образцов, для теоретического расчета Ср растворов можно пользоваться соотношением:

                                       (9)

Устройство для комплексного определения теплофизических свойств жидкости

где Cp,i и mi – соответственно удельная теплоемкость и массовая концентрация i-ой компоненты; n – количество составляющих компонент.

ГЛАВА 5. МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ОБОБЩЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ И

ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ

В главе приводится анализ существующих методов расчета теплоемкости Ср итемпературопроводности а, границы применимости этих соотношений. Предложены уравнения для расчета изобарной теплоемкости и температуропроводности производных предельных углеводородов (насыщенных и ненасыщенных жирных кислот) и их смесей через молекулярные и структурные характеристики. Проведены обобщения экспериментальных данных по теплоемкости и температуропроводности, получены уравнения для их определения в зависимости от изменения температуры и давления.

5.1. Зависимость температуропроводности от молекулярной рефракции

Используя, предложенный рядом авторов подход для описания переносных коэффициентов (коэффициента теплопроводности и температуропроводности), различных классов жидких органических соединений от молекулярных и структурных характеристик, была получена зависимость температуропроводности насыщенных жирных кислот от M и RD (рис. 15) вида аМ5.7=f(RD). Здесь на рисунке приведены подобные зависимости и для других соединений.

Рис. 15 – Зависимость комплекса aM5.7 от RD в различных гомологических рядах:

1- предельные углеводороды;

2 – одноатомные спирты;

3 – насыщенные жирные кислоты;

4 – двухатомные спирты

Из рис. 15 видно, что с увеличением RD комплекс аМ5.7 для всех классов соединений возрастает линейно при переходе от гомолога к гомологу. При одинаковом значении RD минимальные значения аМ5.7 имеют предельные углеводороды. На свойства ассоциированных

соединений (спиртов и кислот существенное влияние оказывают водородные Н-связи, которые вносят значительный вклад в энергию межмолекулярного взаимодействия, при равенстве RD величина аМ5.7 ассоциированных соединений выше, чем у предельных углеводородов. Зависимость комплекса аМ5.7 от молекулярной рефракции для рассмотренного гомологического ряда жирных кислот при температуре Т=298К имеет вид:

             (10)

Температурная зависимость температуропроводности описана следующим образом:

,           (11)

где а(298) и а(Т)– коэффициенты температуропроводности при температурах Т и 298 К; d0, d1, d2, d3 – постоянные уравнений (10и 11), значения которых приведены в таблице.

Предложенные уравнения (10 и 11), позволяют непосредственно вычислять температуропроводность жирных кислот при атмосферном давлении в диапазоне температур t=5.35-5.75. Погрешность расчета не превышает для а ±3%.

5.2. Методы расчета теплоемкости смесей жирных кислот.

Корреляционная зависимость теплоемкости от интегральных показателей состава и термодинамических переменных смесей жирных кислот. Подробный обзор и анализ корреляционных формул проведен в ряде работ, которые рекомендуются для смесей углеводородов. Влияние различного состава смесей жирных кислот на теплофизические свойства учитываются теми характеристиками, которые используются в различных вариантах структурно-группового анализа, в частности  показателем преломления, плотностью, молекулярной массой. Обычно для смесей известны  температуры кипения или молекулярные массы, поэтому были рассмотрены два варианта:

В результате анализа экспериментальных данных по теплоемкости смесей жирных кислот, в том числе и растительных масел было установлено ее линейное изменение при атмосферном давлении:

                           (12)

где теплоемкость при фиксированной температуре t0=25°С; aс - температурный коэффициент теплоемкости.

Значения величин  и aс вычислены по следующим уравнениям регрессии:


(13)

                                           (14)

Таблица 15 – Коэффициенты уравнений (13 и14) для исследованных смесей

a0

a2

b0

b2105

-839.9

366.5

-5.0024

6.89

a1

a3

b1

b3

-182.6

605.42

-5.013

-5.024

Средние ошибки расчета по (14) соответственно равны 1.74%, максимальные для большинства смесей не превышают 4%.

Энтропийный метод. Из анализа условий подобия процессов молекулярного переноса было показано, что среднюю относительную скорость процесса молекулярного переноса можно описать критериальным уравнением

.                                              (15)

Уравнение (15) для процесса переноса тепла принимает вид:

.                                              (16)

В уравнении (16) qDS, q – потоки тепла соответственно при изменении энтропии на границах, равных DS=S1-S’1, S1-S.

В дальнейшем уравнение (16) было применено для обобщения экспериментальных данных по коэффициентам теплопроводности l=f(P,T)], вязкости h=f(P,T), теплоемкости СР=f(P,T) и температуропроводности а=f(P,T) жидких органических соединений и водных растворов солей щелочных металлов.

Уравнение (16) является наиболее целесообразным для оценки влияния эффекта давления на теплоемкость и теплопроводность, а также для определения относительного изменения СР и l от приращения энтропии и принимает вид:

,  и  ,                 (17)

где  - изменение энтропии в изотермическом процессе в интервале давлений от атмосферного Ро до Р, кДж/(кг·К); СР (Р, Т), СР (Р0, Т), l(Р, Т) и l(Р0,Т) – теплоемкость и теплопроводность соответственно при давлении Р и Ро и температуре Т; R- газовая постоянная, кДж/(кг·К).

При обобщении экспериментальных данных СР=f(P,T) и l=f(P,T) для смесей жирных кислот в интервале изменения температур от 298К до 423К и давлений от 0,098МПа до 49МПа величина  определяется по термодинамическому соотношению

,                                                           (18)

интегрирование, которого дает приращение энтропии при изменении давления от Р0 до Р

.                                    (19)

Результаты обобщений по уравнениям (16-17) в координатах  и , представленные на рис. 17-18, позволяют получить единые зависимости, которые аппроксимируются в виде уравнений:

,                                 (20)

.                                               (21)

Сравнения расчетных данных по уравнениям (20) и (21) с результатами экспериментальных исследований для смесей углеводородов. показало ,что расхождения данных по теплоемкости составили в среднем менее 3% за исключением теплоемкости кукурузного и подсолнечного масла при 298К и 49МПа, где расхождения достигли соответственно 6% и 5,7%. Расхождения данных по теплопроводности составили менее 1,5%.

Рис. 16. Относительное изменение теплоемкости СP(P,T)/СP(P0,T) растительных маселпри различных температурах и давлениях в зависимости от изменения ?ST: 1 – кукурузное, 2 – кунжутное, 3 – хлопковое, 4 – оливковое; 5 – соевое; 6 – подсолнечное

Рис.17. Относительное изменениетеплопроводности l(P,T)/l(P0,T) растительных маселпри различных температурах и давлениях в зависимости от изменения ?ST: 1 – кукурузное, 2 – кунжутное, 3 – хлопковое, 4 – оливковое; 5 – соевое; 6 – подсолнечное

На основе экспериментальных данных установлены зависимости теплоемкости и температуропроводности от молекулярных характеристик жидкостей, позволяющие определять СР и а во всем диапазоне исследованных температур при атмосферном давлении с погрешностью менее 2%.

Обобщение полученных данных по теплоемкости и теплопроводности на основе метода подобия процессов молекулярного переноса позволило получить зависимости относительного изменения СР/СР0 =f(P,T) и ?/?0=f(P,T) от приращения энтропии в широкой области изменения температур и давлений.

ГЛАВА 6. ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

ПО ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ

6.1. Обобщение экспериментальных данных по теплофизическим свойствам исследуемых масел в зависимости от температуры при атмосферном давлении

Для обобщения экспериментальных данных по теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости и температуропроводности растительных масел и системы хлопкового масла и растворителей (n-гексан, 2-метилпентан, экстракционный бензин) в зависимости от температуры использовали следующие соотношения :

                          (22);                              (23)

                       (24);                              (25)

где l, r, Cp, а, l1, r1, C*p, а1 - значения теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости и температуропроводности при температуре Т и Т1, где Т1=293 К.

Соотношения (22)-(25) хорошо выполняются для растительных масел и некоторых растворов хлопкового масла и растворителей, т.е. экспериментальные данные по теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости и температуропроводности исследуемых объектов хорошо укладываются вдоль прямой или кривой, которые описываются уравнениями:

для растительных масел:

                                               (26);                            (27)

         (28);                        (29)

для растворов системы хлопковое масло и растворители

                (30);                    (31)

Из уравнений (9)-(15) для расчета теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости и температуропроводности исследуемых объектов в зависимости от температуры получим: для растительных масел:

l=[1,26-0,26(Т/T1)]?(0,545r1-332,3)?10-3, Вт/(м?К),                                                (32)

r=[1,19-0,19(Т/ T1)]?(441,9N2+1483,1N-2221,1), кг/м3,                             (33)

Cp=[0,697(Т/T1)2-1,35(Т/T1)+1,653]?(9160-8r1) , Дж/(кг?К),                                  (34)

a=[1,465-0,465(Т/T1)]?(-2,05?10-5r12+3,62?10-2r1-14,9)?10-7, м2/с               (35)

для растворов системы хлопковое масло и растворители

l=[kn(1-Т/T1)+1,24-0,24(Т/T1)]?(Аn+B)?10-3, Вт/(м?К),                  (36)

Cp=(0,566(Т/T1)+0,438)?(C+Dn), Дж/(кг?К)                                               (37)

Значения А, В, С, D приведены в табл. 16.

Таблица 16 – Значение коэффициентов А, В,k, С, D в уравнениях (36) и (37)

Коэффициенты

Растворитель

n-гексан

2-метилпентан

экстракционный бензин

А, Вт/(м?К)

-0,46

-0,59

-0,50

В, Вт/(м?К)

167

167

167

K

0,0036

0,0033

0,0025

C, Дж/(кг?К)

1724

1724

1724,5

D, Дж/(кг?К)

5,2

4,81

3,35

С помощью уравнений (32)-(37) можно вычислить теплопроводность, плотность, удельную теплоемкость и температуропроводность экспериментально не исследованных растительных масел и растворов хлопкового масла в зависимости от температуры при атмосферном давлении. Для этого необходимо знать плотность, показатель преломления света и концентрации растворителей.

Проверка уравнений (32)-(37) показала, что они с погрешностью до 4% описывают теплофизические свойства исследуемых объектов в интервале температур 293-413К, а плотность по формуле (33) определяется с погрешностью до 0,94%.

6.2. Обобщение экспериментальных данных по теплофизическим свойствам растительных масел при высоких параметрах состояния

Для получения расчетного уравнения по теплопроводности растительных масел в зависимости от температуры и давления использовали следующую функциональную зависимость :

                                                                                         (38)

где lР,Т – теплопроводность исследуемых объектов при давлении Р и температуре Т; lР1,Т1 - теплопроводность при Р1=4,91 МПа и Т1=293 К.

Для расчета теплопроводности исследуемых растительных масел в зависимости от температуры и давления, получим:

,Вт/(м?К)                     (39)

По уравнению (39) можно вычислить теплопроводность исследуемых масел при различных температурах и давлениях. Уравнение (39), в основном, с погрешностью 3% описывает теплопроводности растительных масел в интервале температур (293-523) К и давлений (4,91-49,1) МПа. Для отдельных точек погрешность формулы (39) доходит до 4%.

При обработке экспериментальных данных для расчета плотности, удельной теплоемкости, температуропроводности растительных масел и теплопроводности и удельной теплоемкости растворов хлопкового масла + (экстракционный бензин, n-гексан, 2-метилпентан) в широком интервале параметров состояния получили следующие аппромаксимационные зависимости:

- для растительных масел:

, кг/м3                        (40)

СР,Т={

+1,672}(-8,839?10-4r+15,32r-11616,24), Дж/(кг К)                                     (41)

, м2/с                          (42)

- для растворов хлопкового масла + растворители (экстракционный бензин, n-гексан, 2-метилпентан):

, Вт/(м К)                 (43)

, Дж/(кг?К)                     (44)

Коэффициенты уравнения (43) и (44) приведены в табл. 17.

Таблица 17 – Значения коэффициентов А, В, F и Q в уравнениях (43) и (44).

Растворитель

А, Вт/(м К)

В, Вт/(м К)

F, Дж/(кг?К)

Q, Дж/(кг?К)

n-гексан

Экстр. бензин

2-Метилпентан

-0,443

-0,507

-0,567

168,5

168,5

168,5

1641,8

1632

1640,9

3,82

3,48

3,71

Зависимость теплопроводности, удельной теплоемкости и температуропроводности растительных масел от их плотности при атмосферном давлении

Для установления зависимости теплопроводности, удельной теплоемкости и температуропроводности растительных масел от их плотности при атмосферном давлении нами обработаны экспериментальные данные в виде следующей функциональной зависимости :

   (45);      (46);        (47)

где l, Cp и а – теплопроводность, удельная теплоемкость и температуропроводность исследуемых объектов при плотности r и температуре Т; l1, C*p и а1 – теплопроводность, удельная теплоемкость и температуропроводность исследуемых объектов при плотности r1 и температуре Т1; Т1=293 К.

                                                  (48)

                                              (49)

                                                                      (50)

Анализ значений l1, C*p, и а1 показал, что они являются функциями плотности растительных масел при комнатной температуре, которые выражаются уравнениями:

l1=(0,545r1-332,3)?10-3, Вт/(м?К),                                                   (51)

C*p=9160-8,08r1, Дж/(кг?К),                                                                       (52)

а1=(-2,05?10-5r12+3,62?10-2r1-14,9)?10-7 , м2/с                                              (53)

Для расчета теплопроводности, удельной теплоемкости и температуропроводности растительных масел в зависимости от их плотности при атмосферном давлении получим:

, Вт/(м?К),               (54)

, Дж/(кг?К),              (55)

, м2/с            (56)

Уравнения состояния растительных масел и некоторых их растворов

Для получения уравнения состояния жидких растительных масел и некоторых их растворов, используя экспериментальные данные при различных температурах и давлениях, были построены в плоскости (Р/r2, r6) линии Т=соnst:

Р/r2=f(r6)                                                                                                      (57)

Выполнимость зависимости (57) для исследуемых растительных масел при Т=const являются прямыми и описываются уравнениями :

Р=Аr2+Вr8,                                                                                                  (58)

Уравнение состояния (58) принимает вид:

                                                                        (59)

                             (60)

Значения коэффициентов для исследуемых растительных масел приводятся в табл. 18 и 19.

Таблица 18 – Значения коэффициентов аi и bi для исследуемых масел

Исследуемые масла

а0?1016

а1?1018

а2?1021

а3?1024

-b0

b1

b2?104

b3?106

Подсолнечное

7,89

-4,06

8,0

-4

760,0

4,1935

-86

6

Хлопковое

1,27

-0,09

0,9

0

194,25

0,3364

-2

0

Оливковое

3,306

-1,32

3,0

-1

212,98

0,4894

-4

0

Кунжутное

-1,0

2,0

-6,0

8

139,2

0,1233

0

0

Кукурузное

3,0

-0,9

1,0

2

264,62

0,8377

-10

0

Соевое

0,9

-20,0

1,0

0

75,727

0,0232

1

0

Таблица 19 – Значения коэффициентов сi, di, ki и li уравнения (60)

k0

k1

k2?10-3

c0

c1

c2

l0

l1

l2?10-3

d0

d1

d2

-1482,3

5,9

-6,0

5,9

-7,4

2,2

7132

-26,1

2,87

3,68

-7,61

4,3

Проверка уравнения состояния (60) для растительных масел показала, что оно с погрешностью 0,13% описывает экспериментальные данные.

ВЫВОДЫ

  • Усовершенствована экспериментальная установка для измерения теплопроводности, удельной теплоемкости и температуропроводности растительных масел в зависимости от температуры и давления.
  • Впервые получены экспериментальные данные по теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости и температуропроводности растительных масел и некоторых их растворов в интервале температур 293-523К и давлений 0,101-49,1 МПа (для растворов n=10-90% масс Т=293-473К).
  • Установлено, что теплопроводность, плотность и температуропроводность исследуемых масел в жидком состоянии при заданной температуре увеличиваются с ростом давления и уменьшаются с ростом температуры при постоянном давлении. С ростом температуры влияние давления на плотность, теплопроводность и температуропроводность исследуемых объектов увеличиваются, а с повышением давления влияние температуры на r, l и а уменьшается. Выявлено, что удельная теплоемкость исследуемых объектов с ростом температуры увеличивается, а с повышением давления уменьшается.
  • Получены уравнения для определения теплоемкости СР=f(P,T) (5.1.6) и (5.1.7) на основе метода термодинамического подобия, которые имеют ограничения по давлению и рекомендуются для определения СР при давлении 6.098МПа с максимальной погрешностью ±6%. Расхождение экспериментальных и расчетных по уравнению (5.1.7) значений СР=f(P,T) возрастают с повышением давления и достигают 12% при 49МПа. Перечисленные выше уравнения не пригодны для определения теплоемкости жирных кислот и их смесей.
  • При обработке и обобщении экспериментальных данных получены аппроксимационные уравнения: устанавливающие зависимость теплопроводности, плотности, удельной теплоемкости и температуропроводности исследуемых масел и некоторых их растворов зависимости от температуры, давления и массовой концентрации растворителя.
  • Для расчета теплопроводности исследуемых объектов рекомендовано применение уравнения Тейта. Обобщение полученных данных по теплоемкости и теплопроводности на основе метода подобия процессов молекулярного переноса позволило получить зависимости относительного изменения СР/СР0 =f(P,T) и ?/?0=f(P,T) от приращения энтропии в широкой области изменения температур и давлений. Обобщенные зависимости аппроксимированы в виде уравнений (5.2.6) и (5.2.7), позволяющих рассчитывать СР=f(P,T) и ?=f(P,T) при давлениях до 49МПа и температурах до 623К с погрешностью соответственно ±3% и ±2%.          

  • Получено уравнение состояния для растительных масел. Рассчитаны термические и калорические свойства исследуемых объектов в широком интервале температур и давлений. Разработана система методов, позволяющих рассчитать термодинамические свойства жидкостей и растворов. На основе экспериментальных данных установлены зависимости теплоемкости (5.1.13-5.1.17) и температуропроводности (5.1.19-5.1.21) от молекулярных характеристик жидкостей, позволяющие определять СР и а во всем диапазоне исследованных температур при атмосферном давлении с погрешностью менее 2%.
  • Для расчета теплопроводности растворов системы хлопкового масла и растворителей использована модель структуры с взаимопроникающими компонентами. Полученные значения теплопроводности и теплоемкости хлопкового масла могут быть использованы для расчета теплопроводности и теплоемкости ее растворов с другими растворителями.
  • Установлена взаимосвязь теплопроводности, изобарной теплоемкости и температуропроводности исследуемых объектов с учетом их плотности при различных температурах и давлениях. Для расчета теплопроводности исследуемых объектов рекомендовано применение уравнения Тейта.
  • Получено уравнение состояния для растительных масел. Рассчитаны термические и калорические свойства исследуемых объектов в широком интервале температур и давлений. Разработана система методов, позволяющих рассчитать термодинамические свойства жидкостей и растворов.
  • Для расчета теплопроводности растворов системы хлопкового масла и растворителей использована модель структуры с взаимопроникающими компонентами. Полученные значения теплопроводности и теплоемкости хлопкового масла могут быть использованы для расчета теплопроводности и теплоемкости ее растворов с другими растворителями.
  • Выполненные теоретические и экспериментальные исследования и конструкторские разработки внедрены с учетом экономического и экологического эффектов на предприятиях отрасли Масложиркомбинате г. Душанбе и Кургантюбинском маслозаводе г. Курган-Тюбе;

Результаты и рекомендации, полученные на основе проведенных исследований, могут быть использованы при решении задач экономии топливно-энергетических ресурсов, а также при разработке энергосберегающих технологий получения других растительных масел, и могут быть использованы в других отраслях народного хозяйства.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях

  • Абдуллоев, Б.К. Зависимость термодинамических и калориметрических свойств растворов системы персиколое масло + N-гексан от температуры при атмосферном давлении / Б.К. Абдуллоев, Ш.Т. Юсупов, Ф.Б. Курбонов, М.М. Сафаров // Вестник Национального университета(спецвыпуск). – 2010. С. 18-21.
  • Абдуллоев, Б.К. Удельная теплоемкость растворов системы «абрикосовое масло + n-гексан» в зависимости от температуры и давления / Б.К. Абдуллоев, Ш.Т. Юсупов, М.М. Сафаров, Ф.Б. Курбонов // Изв. АН Республики Таджикистан. - 2010. №3. - С.64-67.
  • Зарипова, М.А. Влияние растворителей на поведение плотности азотосодержащих органических жидкостей и растительных масел / М.А. Зарипова С.А. Тагоев, А.Б. Бадалов, Ш.Т. Юсупов // Междунар. конф. “Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах” - Махачкала,2005.-С.135-138.
  • Курбонов, Ф.Б.Термодинамичес кие свойства бинарной системы сафлорового масла и диэтилового эфира/ Ф.Б.Курбонов, Ш.Т.Юсупов, С.А.Тагоев, М.М. Сафаров // Матер. Рос. конф. по теплофизическим свойствам веществ. – СПб.,2005.-Т.1.-С.34-36.
  • Сафаров, М.М. Изобарная теплоемкость хлопкового масла в зависимости от концентрации растворителя, температуры и давления/ М.М.Сафаров, Ш.Т. Юсупов, С.А.Тагоев, Д.Х. Хусравов // Сб. ТУТ. Вып.2. -Душанбе, 1996. -С.84.
  • Сафаров, М.М. Калорические свойства бинарных растворов системы хлопкового масла. / М.М.Сафаров, Ш.Т.Юсупов, С.А. Тагоев // Сб. ТУТ. Вып. 2.-Душанбе, 1996.- С.52.
  • Сафаров, М.М. Методическая разработка по курсу “Основы теплофизики”. М.М.Сафаров, Ш.Т. Юсупов, С.А.Тагоев, М.А.Зарипова // Душанбе, 1996. –56 с.
  • Сафаров, М.М. Методическая разработка по теплотехнике для студентов технических университетов // М.М.Сафаров, М.И., Тагоев, Ш.Т. Юсупов // Душанбе, 2002.-40с.
  • Сафаров, М.М. О механизме передачи тепла в двухкомпонентных водных и неводных растворах / М.М.Сафаров, С.А.Тагоев, Ф.Б.Курбонов, Ш.Т.Юсупов / 9 Междунар. конф. “Проблемы сольвотации и комплексообразования в растворах”, 2004.-С.293-294.
  • Сафаров, М.М. Теплоемкость хлопкового масла и пищевых отходов в зависимости от концентрации растворителя, растворителя, температуры и давления / М.М.Сафаров, Ш.Т. Юсупов, С.А.Тагоев, Д.Х. Хусравов // Вторая Междунар. теплофиз. шк.-Тамбов, 1995. - С.178.
  • Сафаров, М.М. Теплопроводность миндального масла.// Труды научно-технических и инженерных работников Республики Таджикистан, посвященные 1100-летию государства Саманидов / М.М.Сафаров, Ш.Т.Юсупов, С.А. Тагоев, М.А. Зарипова //Душанбе, 2000.-С.174-178.
  • Сафаров, М.М. Теплофизические проблемы экологии / М.М.Сафаров , Ш.Т.Юсупов, Зарипова М.А. / Междунар. конф. ТТУ им. акад. М.С. Осими, 1998.  С.67.
  • Сафаров, М.М. Теплофизические свойства некоторых растворителей в зависимости от температуры и давления, включая критическую область/ М.М.Сафаров, К.Д.Гусейнов, М.А. Зарипова, Ш.Т. Юсупов // Междунар. конф. “Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах”, Махачкала,2004.-- С.195-198.
  • Сафаров, М.М. Теплофизические свойства растительных масел / М.М.Сафаров, Ш.Т.Юсупов, М.А.Зарипова, С.А.Тагоев / -Душанбе, 2002.-80с.
  • Тагоев, С.А. Теплофизические свойства хлопкового масла: монография / С.А.Тагоев, Ш.Т.Юсупов, М.М. Сафаров.- Душанбе: Технолог. ун-т Таджикистана, 2007.- 81с.
  • Тагоев, С.А.Уравнение состояния растворов хлопкового масла и экстракционного бензина / С.А.Тагоев, М.М.Сафаров, Ю.Ф.Гортышев, Ш.Т. Юсупов // Матер. 2 Междунар. науч.-практ. конф., ”Перспективы развития науки и образования в 21 в.”- Душанбе, 2006.-Ч.2.-С.107-110.
  • Юсупов Ш.Т., Икрами М.Б., Мирзорахимов К. Природные красители и их применение в производстве пищевых продуктов. / Матер. науч.-практ. конф. ТУТ. - Душанбе.-2001.- С.56.
  • Юсупов, Ш.Т. Зависимость термодинамических и калориметрических и калориметрических растворов системы персиковое масло + н-гексан от температуры при атмосферном давлении / Ш.Т. Юсупов, М.М. Сафаров, Б.К. Абдуллоев // Вестник Таджикского технич. ун-та, Спец. выпуск, «Сино». – 2010. С. 18-21.
  • Юсупов, Ш.Т. Изобарная теплоемкость облепихового масла в широком интервале температур и давлений/ Ш.Т.Юсупов, М.М.Сафаров, М.Т. Тургунбоев //Сб. науч. тр. Республик. конф. - Курган-Тюбе,1998.-С.82-83.
  • Юсупов, Ш.Т. Использование дифференциальных уравнений для расчета калорических свойств растительных масел / Ш.Т.Юсупов, М.М.Сафаров, П.А. Пулатов // Тез. докл. Междунар. науч. конф. посвященной 1200-летию Ахмада ибн Мухамада Фергани. Ташкент, 1998.-С.39-40.
  • Юсупов, Ш.Т. Методы расчеса теплоемкости углеводородов на модели и их производных, основанные на модельных представлениях и методах подобия / Ш.Т. Юсупов, М.М. Сафаров, М.А. Зарипова // Вестник Таджикского технич. ун-та. – 2010. - № 1(5). С. 1-7.
  • Юсупов, Ш.Т. Методы расчета теплоемкости углеводородов / Ш.Т. Юсупов, С.А.Тагоев, М.А. Зарипова // Междунар. конф. “Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах”, Махачкала, 2007.-С 67.
  • Юсупов, Ш.Т. Методы расчета теплоемкости углеводородов и их производных, основанные на модели представлениях и методах подобия / Ш.Т. Юсупов, С.А.Тагоев, М.М.Сафаров // МТФШ.-Тамбов, 2007. – С 43
  • Юсупов, Ш.Т. Некоторые аспекты применения миндального масла/ Ш.Т.Юсупов, М.М.Сафаров, А.А.Панфилов, Х.И. Тешаев // Матер. науч.-практ. конф. Изд-во Технолог. ун-т Таджикистана. – Душанбе, 2001. -С.26.
  • Юсупов, Ш.Т. Плотность облепихового масла / Ш.Т.Юсупов, М.М.Сафаров// Матер. науч.-практ. конф. ТУТ, Душанбе, 1996. - С.40-45.
  • Юсупов, Ш.Т. Расчет теплоемкости хлопкового масла в широком интервале параметров состояния / Ш.Т. Юсупов, М.М. Сафаров, С.А. Тагоев // Пищевая пром., 1998.-№3.-С.654-656.
  • Юсупов, Ш.Т. Температуропроводность и активность растительных масел / Ш.Т. Юсупов, М.М.Сафаров // Тез. докл. науч. конф. “Физика конденсированного состояния“.- Душанбе, 1998.-С.22.
  • Юсупов, Ш.Т. Температуропроводность растительных масел в зависимости от температуры и давления / Ш.Т. Юсупов, М.М. Сафаров, С.А. Тагоев, М.А. Зарипова // Измерительная техника (Метрология). 1998.-№5. -С.14-22.
  • Юсупов, Ш.Т. Теплоемкость растворов системы хлопкового масла + n-гексан в зависимости от температуры и давления // Ш.Т.Юсупов, М.М. Сафаров, С.А.Тагоев // ИФЖ. -Т.70.- №5.- 1997. - С.841.
  • Юсупов, Ш.Т. Теплоемкость хлопкового масла в зависимости от температуры, давления и концентрации чистого бензина / Ш.Т. Юсупов, М.М. Сафаров, С.А. Тагоев // Измерительная техника (Метрология). - 1999. - №4. - С.31-37.
  • Юсупов, Ш.Т. Теплопроводность облепихового масла в зависимости от температуры и давления / Ш.Т.Юсупов, М.М.Сафаров, С.А.Тагоев // Матер. науч.-практ. конф. - Душанбе.1999. С.37-43.
  • Юсупов, Ш.Т. Теплопроводность растительных масел в широком интервале параметров состояния. // Ш.Т.Юсупов, М.М. Сафаров, С.А.Тагоев, М.А. Зарипова // ИФЖ. 1997.- Т.70.- №5. - С.843.
  • Юсупов, Ш.Т. Теплопроводность хлопкового масла в широком интервале температур и давлений / Ш.Т.Юсупов, М.М.Сафаров, С.А.Тагоев // Сб. ТУТ, Вып.2.- Душанбе, 1996.- с.78-83.
  • Юсупов, Ш.Т. Теплопроводность хлопкового масла в широком интервале температур и давлений / Ш.Т.Юсупов, М.М.Сафаров, С.А.Тагоев // Матер. республик. конф. по проблемам фундаментальных наук и внедрений в производство. - Душанбе, 1996.-С.54.
  • Юсупов, Ш.Т. Теплофизические свойства растительных масел в широком интервале параметров состояния / Ш.Т. Юсупов, М.М. Сафаров, С.А. Тагоев // Измерительная техника (Метрология). – 1998. - №7. - С.15-22.
  • Юсупов, Ш.Т., Икрами М.Б., Мирзорахимов К. Использование местного растительного сырья Таджикистана в производстве пищевых продуктов./ Материалы научно-практической конференции / Ш.Т.Юсупов, М.Б.Икрами, К.Мирзорахимов // Матер. науч.-практ. конф. Изд-во Технолог. ун-т Таджикистана. – Душанбе, 2001.- С.45.
  • Юсупов, Ш.Т., Плотность растительных масел в широком интервале параметров состояния // Ш.Т.Юсупов, С.А.Тагоев, М.М. Сафаров, М.А. Зарипова / Хранение и переработки сельхозпродукты. - 1997. - №9.-С.9-11.
  • Юсупов, Ш.Т.Влияние растворителя на изменение теплоемкости хлопкового масла. / М.М.Сафаров, Ш.Т. Юсупов, С.А.Тагоев, М.А. Зарипова // Тез. докл. респ. науч.-техн. конф. ДГПУ.-Душанбе, 1995. - С.68.
  • Юсупов, Ш.Т.Расчет плотности растительных масел/ Ш.Т.Юсупов, С.А.Тагоев, М.М.Сафаров // Сб. науч. тр. посвящ. 5-летию филиала ТУТ (ХФ). -Худжанд, 1997.-С.54-56.
  • Юсупов, Ш.Т.Теплопроводность миндального масла / Ш.Т.Юсупов, М.М.Сафаров, С.А.Тагоев // Тр. науч.-техн. и инж. Раб. РТ, Инженерной академии РТ.-Душанбе,1999.- С.174-178.
  • Safarov, M.M. Connection thermaphysical with Acoustic properties vegetable oils in the wide interval condition state/ M.M.Safarov, Sh.T.Usupov, S.A.Tagoev //ICPP, Japan, 2000.- P.432.
  • Safarov, M.M. Influence solvent of change thermal conductivity and specific heat capacity cotton oils/ M.M.Safarov, Sh.T.Usupov, S.A.Tagoev // 23 International thermophysical conference.- Pittsburgh, USA, 1996. - P.269.
  • Safarov, M.M. Specific heat capacity of vegetable oils in the range of 293-500 K / M.M.Safarov, Sh.T.Usupov, S.A.Tagoev //25th ICCS and 13th ITEC, USA, Ann Arbor, 1999. - P.365.
  • Safarov, M.M. Thermophysical Features of vegetable oils in wide interval of temperatures and pressures. / M.M.Safarov, Sh.T.Usupov // 14 ECTP, - Lyonvilleurbanne, France, 1996. -p.361.
  • Safarov, M.M. Thermophysical Features of vegetable oils in wide interval of temperature and pressures// M.M. Safarov, Sh.T. Usupov, S.A. Tagoev // High Temperatures, High Pressures.- 1999.- V.31. P.43-48.
  • Safarov, M.M. Thermophysical Features of vegetable oils in wide interval of temperature and pressures // M.M. Safarov, Sh.T. Usupov, S.A. Tagoev // 14 ECTP, Proceedings - 1997. - P.1147-1152.
  • Safarov, M.M. Thermophysical Features of vegetable oils in wide interval of temperature and pressures// M.M. Safarov, Sh.T. Usupov, S.A. Tagoev // High Temperatures, High Pressures.- 1999.- V.31. P.43-48.
  • Safarov, M.M. Thermophysical Features of vegetable oils in wide interval of temperature and pressures // M.M. Safarov, Sh.T. Usupov, S.A. Tagoev // 14 ECTP, Proceedings - 1997. - P.1147-1152.
  • Safarov, M.M., Experimental plant for measurement thermophysical properties insulation materials / M.M.Safarov, Sh.T.Usupov, S.A.Tagoev, M.A. Zaripova // II-International symposium. - Canada, 1997. - P.367.
  • Safarov. M.M., Formation of vegetable oils blend materials and their structural determination by viscometry of 293 K / M.M.Safarov, Sh.T. Usupov, S.A.Tagoev// Pakistan, 2002.- P.102.
  • Usupov Sh.T.,Isoboev M., Normatova L. Some aspects of extraction vegetable oil / Sh.T.Usupov, M.Isoboev, L.Normatova // Blacgea and Central Asian Symposium on Food technology. – Turkey, Ankara, 2000. Р. 75-76
  • Usupov, Sh.T. Density and thermal diffusivity of vegetable oils / Sh.T.Usupov /27 ICCC/15 EICC, USA, Oak Ringe, 2003. - P.68.
  • Usupov, Sh.T. Simultaneous thermal conductivity and thermal diffusivity measurement of vegetable medical oils / Sh.T. Usupov, M.M.Safarov, K. Mirzorahimov, S.A.Tagoev // 16 ECTP, UK, London, 2002. - P.343.
  • Usupov, Sh.T. Thermal conductivity and constant volume of soflar oils / Sh.T.Usupov, F.B.Qurbonov, M.M Safarov /27 ICCC/15 EICC, USA, Oak Ringe, 2003. - P.382-387.
  • Usupov, Sh.T. Thermophysical properties of cotton-seed.n-hexan and their natural mixtures / Sh.T.Usupov, S.A.Tagoev, M.M.Safarov // ASTM. – Canada, 1996. - P.102.
  • Сафаров, М.М.Устройства и способ комплексного определения тепло-физических свойств жидкостей/ М.М.Сафаров, Ш.З.Нажмудинов, М.А. Зари-пова, С.А.Тагоев, Ш.Т.Юсупов и.др.// Малый патент Республики Таджикистан, GO1 N 27/06 28.11.2007, 14с. № TJ 100 от 7 января 2008г.
  • Сафаров, М.М Уравнение Тейта для расчета теплопроводности системы хлопкового масла и изомергексан /М.М.Сафаров, Ш.Т. Юсупов, С.А.Тагоев// Респ. науч.-практ. конф. ТУТ, 1996, с.45.

 



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.