Введение к работе
Актуальность проблемы. Влагосодержащие материалы играют в жизни каждого человека очень важную роль. Достаточно упомянуть, что ими являются все объекты растительного и животного происхождения, пищевые продукты, почва и все грунтовые породы. Их теплофизическая уникальность обусловлена тем, что капиллярная влага при фазовых превращениях (плавление и кристаллизация, конденсация и испарение) резко изменяет все физико-механические свойства влагосодержащего материала. Поэтому конкретные сведения о физико-механических и, в частности, тепловлажностных свойствах таких объектов оказываются важными для многих отраслей. Особенно это относится к пищевой и строительной промышленностям, в которых такие материалы подвергаются климатическим и технологическим температурным воздействиям.
Так, в пищевой промышленности важное место занимают разнообразные холодильные технологии, обеспечивающие сохранность и качество скоропортящихся продуктов. Для их совершенствования важно знать весь комплекс тепловлажностных характеристик продукта, учитывать в них особенности кристаллизации и миграции влаги, распределение микрокристаллов льда в тканях продукта и целый ряд других, часто необратимых явлений. Иллюстрацией являются гистерезисные изменения теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности при замораживании и размораживании.
В строительной промышленности особый интерес представляют физико-механические свойства грунтовых пород. На территории России, особенно в ее восточных и северных областях, широко распространены многолетнемерзлые породы. Мерзлые и вечномерзлые грунты при сохранении отрицательной температуры обычно являются достаточно прочными и устойчивыми природными образованиями. Однако при повышении и понижении их температуры (даже в области отрицательных значений температур) происходят существенные изменения теплофизических и механических свойств таких грунтов. Более того, их физико-механические свойства проявляют гистерезисные черты, «запоминая» свою температурную предысторию. Так, при оттаивании порового льда структурные льдо-цементные связи в грунте лавинно разрушаются, поэтому в нем возникают значительные деформации. А сильно льдистые вечномерзлые фунты при пылеватом и глинистом их составе при оттаивании становятся разжиженными массами, превращая дороги в непроходимое месиво.
Имеющиеся в настоящее время данные по теплофизическим свойствам влагосодержащих материалов представляются недостаточными, а средства их измерения несовершенными. Для более полного удовлетворения промышленности необходимо проводить комплексное исследование всех тепловлажностных характеристик в одном опыте и на одном образце, особенно в циклических процессах их замораживания и оттаивания.
Целью работы являлось экспериментальное исследование комплекса те-плофизических и влажностных свойств влагосодержащих материалов (пищевых продуктов, грунтовых и горных пород, водных растворов) в условиях их замораживания и размораживания, включая зону фазовых превращений, в диапазоне температур (- 60...80) С.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Аналитически обосновать метод исследования тепло влажностных
свойств образцов цилиндрической формы при их замораживании и разморажи
вании в широкой области температур.
2. Разработать теплоизмерительную ячейку, обеспечивающую исследова
ние твердых, рыхлых, пастообразных и жидких материалов.
3. Разработать алгоритм компьютерной обработки экспериментальных
данных опыта.
4. Провести систематизированные исследования тепловлажностных
свойств разнообразных групп пищевых продуктов, водных растворов сахарозы,
грунтовых и горных пород.
Новизну работы составляют и выносятся на защиту следующие результаты и положения:
1. Обоснование возможности исследования тепловлажностных свойств
материалов в динамическом режиме охлаждения-нагрева.
Результаты теплового анализа теплоизмерительной ячейки.
Методики проведения измерений и обработки экспериментальных данных при изучении свойств веществ с резкими структурными и фазовыми превращениями.
Результаты комплексных исследований энтальпии, теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности, интегральной и дифференциальной теплоты фазовых превращений, криоскопической температуры и доли невымо-роженной влаги группы пищевых материалов, водных растворов сахарозы, грунтовых пород и образцов глубинного бурения;
Тепловые эффекты и гистерезисные явления свойств влагосодержащих материалов при их замораживании и оттаивании.
Практическая ценность работы заключается в получении необходимых данных о тепловлажностных свойствах влагосодержащих материалов, необходимых для расчетов технологических процессов в пищевой промышленности, при инженерных расчетах, проводимых при строительстве инженерных сооружений и т. д. и подтверждена актами о внедрении созданных образцов экспериментальных установок в ОАО «Фундаментпроект» (г. Москва), в учебном процессе МГУ им. М.В. Ломоносова и СПбТУНиПТ. Исследования керновых образцов горных пород выполнялись по заказу ОАО «Уральский научно-исследовательский и проектный институт галургии» (г. Березники, Пермский край). Образцы водных растворов сахарозы, а также пищевые продукты расти-
тельного и животного происхождения были предоставлены для измерения теп-ловлажностных характеристик сотрудниками СПбГУНиПТ.
Личный вклад: проектирование теплоизмерительных ячеек; разработка устройства для устранения конвекции при изучении свойств жидкостей; разработка методик проведения опыта при последовательном замораживании и размораживании образца, обработки экспериментальных данных опыта, градуировки теплоизмерительнои ячейки и анализ ее метрологических возможностей в режимах замораживания и размораживания образцов; проведение комплексного измерения тепловлажностных характеристик пищевых продуктов, грунтовых игорных пород, а также водных растворов сахарозы в области температур (-60... 80) С.
Апробация работы и публикации. Основные материалы и результаты работы опубликованы в 13 научных статьях, в том числе 2 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Основное содержание диссертации доложено на следующих конференциях: XXXIV-XXXVII научн.-практ. конф. профессорско-преподавательского состава СПбГУНиПТ, СПб; XI научно-техническая конференция «Теория и методы замораживания грунтов», СПб, 25-27 ноября 2008 г.; X Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии», г. Казань, 12-15 мая 2009 г.; II Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности, г. Бийск 14-15 мая 2009 г.; II Международная научно-практическая конференция «Криотерапия в России», СПб, 14 мая 2009 г.; IV Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке; XI конференция стран Содружества «Современный физический практикум», г. Минск, 12-14 октября 2010 г.; Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства исследований теплофизических свойств веществ», СПб, 30 ноября -2 декабря 2010 г.
По результатам исследований автором в 2009 г. выигран конкурс молодых ученых, проводимый Комитетом по науке и высшей школе правительства Санкт-Петербурга.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (108 наименований) и 3 приложений. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 109 рисунков.
