Введение к работе
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.
