Визначення коефіцієнта температуропровідності харчових продуктів методом регулярного режиму

Контрольні запитання

1. Що називається питомою теплотою плавлення?

2. Чим відрізняються аморфні тіла від кристалічних?

3. Чому температура кристалічних тіл у процесі плавлення або тверднення не змінюється?

4. Що називається тепловою потужністю?

5. Сформулювати другий принцип термодинаміки.

6. Запиcати як визначається зміна ентропії при термодинамічних процесах?

7. Від чого залежить час фазового переходу t_фп?

8. Оцінити зміну внутрішньої енергії олова при переході з твердого стану до рідкого.

9. Чи можна розплавити олово в воді? За яких умов це можливо?

Література:

[1,§111−112. - с. 349−354].

[6,§107−108. - с. 346−350].

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6

Мета й завдання роботи − ознайомитись з методами вимірювання коефіцієнта температуропровідності речовини; виміряти коефіцієнт температуропроводності цукру.

Основні теоретичні відомості та опис установки

Для оптимального ведення технологічних процесів тепловологісного оброблення харчових продуктів необхідно знати їх теплофізичні властивості та характер їх зміни в процесі оброблення. Однією з таких характеристик є коефіцієнт температуропровідності продукту (поряд з коефіцієнтом теплопровідності l та питомою теплоємністю с, коефіцієнт де r – густина продукту). Коефіцієнт температуропровідності входить у диференціальне рівняння теплопровідності

; (1)

,

де Т(x, y, z) - температура в даній точці продукту; t - час; D - оператор Лапласа. Це рівняння дає можливість визначати кінетику температурного поля в об’ємі продукту.

Коефіцієнт температуропровідності є теплоінерційною характеристикою продукту. Це параметр, що визначає швидкість вирівнювання температур у продукті за нестаціонарної теплопровідності. Його необхідно знати для визначення швидкості прогрівання та охолодження продуктів.

Для визначення коефіцієнта температуропровідності застосовують методи регулярного режиму, розроблені Г.М. Кондратьєвим. За теорією, нагрівання (або охолодження) продукту в середовищі з постійною температурою відбувається за три стадії:

1) стадія зрівноваження – стадії нестаціонарного режиму, коли на процес теплообміну впливають неоднорідності початкового розподілу температурного поля в продукті;

2) стадія упорядкованого нагрівання (охолодження) - регулярний режим, коли розподіл температури стає однаковим для всіх точок продукту, не залежить від початкового її розподілу, а визначається лише формою, розміром, теплофізичними характеристиками продукту та умовами теплообміну на його межі;

3) стаціонарний режим, коли температура всіх точок продукту та навколишнього середовища однакова.

За теорією першого методу регулярного режиму, коефіцієнт температуропровідності зв’язаний з темпом нагрівання (охолодження) mспіввідношенням

, (2)

де k - коефіцієнт форми досліджуваного тіла; (див. Формули (3) або (4)), m − темп зміни температури тіла (див. формулу (7).

Для тіл у вигляді прямокутного паралелепіпеда

, (3)

де l₁, l₂, l₃ - довжини ребер паралелепіпеда.

Для циліндричних тіл

, (4)

де h і R - відповідно висота і радіус основи циліндра.

З деякого моменту часу температура поверхні тіла та середовища вирівнюється (стадія регулярного режиму), тоді зміна температурного поля (швидкість нагрівання або охолодження) в тілі прямо пропорційна різниці між температурою навколишнього середовища Т_с і температурою тіла в даній точці (для всіх точок тіла темп зміни температури однаковий):

. (5)

Розв’яжемо це рівняння відносно m:

;

При t = 0, Т = Т₀ - початкова температура тіла.

Тому можна записати:

;

. (6)

Продиференціювавши рівняння (6) за часом, одержимо рівняння (5) у вигляді:

. (7)

Як видно, для визначення темпу нагрівання (охолодження) m досліджуваного продукту необхідно експериментально встановити швидкість зміни температури (Т–Т_с) з часом, яка є однаковою для всіх точок продукту в стадії регулярного режиму.

Для цього продукт поміщають у мідний або латунний акалориметр (для визначення коефіцієнта температуропроводності ), коефіцієнт форми якого обчислюють за відповідною формулою. В середину продукту через герметичну трубку вводиться один із спаїв диференціальної термопари. Другий спай термопари вміщують разом із заповненим акалориметром у рідинний термостат (рис.1).

Рис. 1.

Вимірюють термоелектрорушійну силу диференціальної термопари за показами гальванометра (кількість поділок n в шкалі гальванометра відповідає значенню Т–Т_с). Одночасно фіксують час (за секундоміром) в процесі нагрівання або охолодження продукту в акалориметрі.

Дослідні дані зображують на напівлогарифмічному графіку величин ln nта t, його прямолінійна частина відповідає регулярному режиму і характеризує темп m режиму нагрівання (охолодження) продукту (рис.2).

Рис.2.

Величина m визначається за допомогою графіка за формулою (8):

. (8)

Постійність температури рідини навколо акалориметра забезпечується її інтенсивним перемішуванням. Обчисливши коефіцієнт форми k та визначивши темп нагрівання (охолодження) m, за формулою (1) одержують значення коефіцієнта температуропровідності α.

Прилади та обладнання − установка для вимірювання коефіцієнта температуропровідності речовин за методом регулярного режиму; секундомір; водяний нагрівник.

Дата добавления: 2015-05-24