Investigation of thermophysical characteristics of organic emulsion

Full Text

Введение Одной из основных проблем пищевой промышленности является выбор материалов для проектирования систем производственной линии и подбор характеристик их компонентов, обеспечивающих необходимые температурные условия при производстве пищевых полуфабрикатов. Современная производственная линия является сложным техническим устройством, для из- готовления деталей и узлов которой применяется множество материалов. В настоящее время отечественными предприятиями выпускаются различные виды конструкционных сталей и сплавов на основе титана и алюминия[8]. Многие из них могут использоваться при изготовлении элементов производственных линий. На поверхность металлов для их защиты могут наноситься различные покрытия, такие как антиокислительные, теплозащитные, износостойкие и мн. др. [1; 2]. Пока не существует единого универсального правила, в соответствии с которым имеется возможность подобрать характеристики систем для решения конкретных практических задач, таких как переработка, измельчение, смешивание, при- готовление, упаковка и т. д. при заданных температурно-временных условиях. К таким неизвестным параметрам компонентов следует отнести мощности нагревателей и холодильников, производительность перекачивающих хладагент на- сосов, размеры лент транспортеров, частоты вра- щения редукторов и шнеков, объемы бункеров для хранения исходного сырья и готовой продукции и др. [3; 4]. Подбор характеристик компонентов систем невозможен без наличия комплексной информации о различных характеристиках полуфабрикатов, с которыми предполагается работать. Среди них стоит выделить механические, теплофизические, вязкостные и прочие, причем и в исходном состоянии полуфабриката, и после переработки. Стоит отметить, что большинство продуктов пищевой промышленности содержит в себе водяную фазу в том или ином виде, поэтому характеристики необходимо изучать как при нормальных и повышенных температурах, так и в замороженном виде. В настоящее время для производства кормов для животных перспективным является применение мясной эмульсии, изготовленной путем измельчения до пастообразного состояния различных видов мяса. От того, насколько оптимально подобраны компоненты производственной линии, зависят стоимость и продолжительность технологического процесса при производстве полу- фабрикатов, а также стоимость конечного продукта для потребителя. В случае оптимизации нагревательного и холодильного оборудования наиболее важными характеристиками исследуемого объекта являются теплофизические: теплоемкость и теплопроводность. В [5] приводятся результаты измерений различных видов мясных полуфабрикатов, в том числе широкого ассортимента фаршей. Экспериментальные данные, как правило, приводятся в диапазоне температур от 20 до 80 °С, что зачастую не охватывает весь интерес технологов. Так, подбор холодильного оборудования требует набора знаний о фазовом переходе кристаллизации жидкости, которая входит в состав полуфабриката. Результаты экспериментальных исследований теплофизических характеристик при- водятся в [6-10]. Подбор компонентов оборудования производится на основе знаний о характеристиках объекта производства, материалов производственной линии и внешних условий. Нередко для подбора привлекают расчетные методы, в том числе методы математического моделирования [11-14]. Такие подходы позволяют спрогнозировать поведение исследуемого объекта без построения сложного, трудоемкого и порой дорогостоящего технологического процесса. В результате определяются распределения механических нагрузок, температурных полей, на основе которых определяются прочностные характеристики и производственные мощности элементов оборудования, параметры цеха (мощности электрических, тепловых и водопроводных сетей и т. д.) Так, НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ располагает обширным лабораторным комплексом для проведения расчетно-экспериментальных исследований характеристик широкого спектра материалов в значительном температурном диапазоне [15]. Цель исследования - изучение теплопроводности и теплоемкости органической эмульсии для подбора характеристик компонентов нагревательного и холодильного оборудования производственной линии. 1. Материалы и методы Объект исследования - органическая эмульсия, представляющая собой мелко измельченное до пастообразного состояния и перемешанное мясо свинины и говядины. С помощью экспериментальных методов изучались теплопроводность и теплоемкость. Объект исследований поставлялся в виде замороженного брикета неопределенной формы массой ~5 кг. Для измерения теплопроводности был проведен анализ двух методов: импульсного метода и метода стационарного теплового потока. Импульсный метод позволяет исследовать образцы практически любых материалов в широком диапазоне температур (серийное оборудование позволяет измерять при температурах от -150 до 2800 °С) на сравнительно малых образцах (характерный размер образца 10-15 мм), при этом время измерений одного образца во всем температурном диапазоне не превышает восьмичасовой рабочий день[9]. Суть метода состоит в облучении лицевой поверхности образца кратковременным импульсом лазера и регистрации изменения температуры на его тыльной стороне. При проведении измерений делается ряд допущений, а при обработке полученной зависимости используются несколько математических моделей. Мясная эмульсия представляет собой мелко измельченную кашицеобразную массу, поэтому измерить образец напрямую не представляется возможным. Однако существует ряд оправок, приспособлений и методов для проведения исследований жидких образцов: расплавов, жидкостей, смол. Для обработки результатов в этом случае необходимо привлекать специальное программное обеспечение, в котором по известным характеристикам материала оправки вычисляется неизвестная теплопроводность исследуемого материала. Такой подход успешно применяется при исследовании теплопроводности и температуропроводности образцов в жидкой фазе, на- пример смол и связующих [16; 17]. Тем не менее стоит отметить, что мясная эмульсия не является однородной жидкой фазой, в ней присутствуют достаточно крупные включения, от содержания и распределения которых будет зависеть изучаемая характеристика. Для решения этой проблемы могут быть использованы нестандартные оправки, в которых толщина образца будет увеличена до 5-7 мм, но в этом случае получаемый сигнал при измерении будет сильно зашумлен, что значительно увеличивает разброс значений и погрешность измерений. Альтернативным методом измерения теплопроводности является метод стационарного теплового потока[10]. Его суть в создании стационарного одномерного теплового потока в образце, установленном между нагревателем и холодильником. По результатам определения тепловых потоков при заданной разности температуры на- гревателя и холодильника, а также толщины образца определяется теплопроводность. Серийное оборудование обеспечивает температурный диапазон измерений от -160 до 600 °С, при этом используются образцы в виде плит толщиной 10-50 мм и характерным размером 150-300 мм. Большой размер образцов усредняет влияние неоднородности включений по объему образца, а объект исследований не требует измерений при температурах, выходящих за рамки возможностей оборудования. К недостаткам метода стоит отнести длительность измерений. Так, в зависимости от ожидаемых характеристик материала время измерения при одной температуре может достигать 6-8 часов. Исходя из вышесказанного для проведения измерений теплопроводности мясной эмульсии был выбран метод стационарного теплового потока. Перед проведением измерения необходимо провести подготовку образца. В связи с тем, что полуфабрикат в исходном виде представлял собой замороженный брикет неопределенной формы, напрямую провести его исследование не представляется возможным. Для получения образца с требуемыми геометрическими характеристиками полуфабрикат оттаивался в течение 24 часов, после чего его часть была помещена в полиэтиленовый пакет. В результате механического воздействия плит прибора произошло перераспределение мясной эмульсии, при этом образец стал представлять собой диск толщиной ~20 мм и диаметром ~200 мм. Измерение теплопроводности проводилось стационарным методом на приборе HFM436 фирмы Netzsch. Этот прибор выпускается серийно и позволяет проводить измерения в диапазоне температур от -20 до 70 °С. Прибор включает управляемые с помощью персонального компьютера нагреватель и холодильник, обеспечивающие установление стационарного теплового потока через образец, при этом испытания проводятся в автоматическом режиме. Привод холодильника с встроенным измерителем толщины обеспечивает оптимальное поджатие образца и измерение еще и его толщины. Перед испытаниями необходимо провести процедуру калибровки тепломеров (дат- чиков теплового потока) нагревателя и холодильника по результатам измерения эталонного образца. Теплопроводность исследуемого образца рассчитывается на основе закона Фурье по зависимости[11] где q - тепловой поток через образец, Вт/м2; λ - теплопроводность образца, Вт/(м·К); ΔТ - разность температур между верхней и нижней поверхностями образца, К; Δх - толщина образца, м. Измерение теплоемкости материалов в жидком состоянии не всегда является типичной задачей и часто требует дополнительного методического анализа и нестандартной подготовки образцов. Для проведения измерений теплоемкости в настоящей работе был выбран метод дифферен- циальной сканирующей калориметрии (ДСК)[12]. Данный метод позволяет производить измерения теплоемкости большого спектра принципиально различных материалов в широком диапазоне температур (от -150 до 1600 ºС). В сравнении с другими способами определения теплоемкости, представленными серийно выпускаемым оборудованием (методы смешения, лазерной вспышки и адиабатический), преимущество метода дифференциальной сканирующей калориметрии заключается в возможности проведения высокоточных измерений теплоемкости образцов в жидком состоянии с использованием специализированных тиглей, предотвращающих процессы испарения материала во время нагрева. Таким образом, этот способ измерения позволяет избежать сложной и трудоемкой подготовки образцов для исследований и использования дополнительных приспособлений в процессе измерения. Помимо прочего, на исследуемом интервале температур (от -20 до 95 ºС) метод ДСК, в сравнении с вышеупомянутыми способами определения теплоемкости, позволяет произвести эксперимент с наименьшей ошибкой измерения. Это реализуется за счет конструкции прибора, а для работы при низких температурах используется дополнительный блок для автоматизированной подачи жидкого азота. В основе метода ДСК лежит регистрация разности температур между исследуемым образ- цом и эталоном в процессе нагрева или охлаждения и последующее определение теплового потока - производной теплоты по времени. где Ф - тепловой поток, Вт; ΔТ - разность температур исследуемого образца и эталона, К; x1, x2 - две точки измерительной системы (контактные площадки для эталона и образца); f(x) - некоторая функциональная зависимость от координат. Для проведения эксперимента образец и эта- лон помещаются в тигли, симметрично расположенные в измерительной ячейке, и производится программируемый нагрев с заданной скорос- тью (рис. 1). При этом в измерительной ячейке обеспечиваются максимально возможные условия для равномерного нагрева обоих тиглей (образца и эталона). Тогда при протекании в исследуемом материале процессов с изменением энтальпии (превращения с выделением или поглощением тепла) будет зарегистрирована разница температур между образцом и эталоном. Рис. 1. Схема измерительной ячейки дифференциального сканирующего калориметра Figure 1. The diagram of the measuring cell of the differential scanning calorimeter Измерение удельной теплоемкости методом ДСК выполняется с использованием эталонного образца сравнения с известной теплоемкостью и осуществляется в несколько этапов: - калибровочный нагрев пустых тиглей для регистрации ДСК сигнала базовой линии; - нагрев образца и пустого тигля для регистрации ДСК сигнала исследуемого материала; - нагрев эталонного образца сравнения и пус- того тигля для регистрации ДСК сигнала эталонного материала. Дальнейший расчет удельной теплоемкости из экспериментального сигнала ДСК определяется следующим соотношением: где ДСКобр - экспериментальный сигнал измерения образца, мВт/мг; ДСКэт - экспериментальный сигнал измерения эталонного образца сравнения, мВт/мг; ДСКбаз - экспериментальный сигнал измерения пустых тиглей (базовая линия), мВт/мг; mобр - масса образца, мг; mэт - масса эталонного образца сравнения, мг; Cэт - удельная теплоемкость эталонного образца срав- нения, Дж/(мг·К). В данной работе измерения теплоемкости мясной эмульсии проводились на дифференциальном сканирующем калориметре DSC 204 F1 фирмы Netzsсh. Нагрев образцов производился со скоростью 5 К/мин в динамической среде аргона в диапазоне температур от -5 до 95 °С. Измерения проводились в алюминиевых тиглях с использованием уплотненного корундового порошка на дне для улучшения контакта и предотвращения загрязнений. При всех измерениях используется одинаковое количество порошка, которое учитывалось коррекцией базовой линии. В качестве калибровочного образца для определения теплоемкости использовался сапфир. 2. Результаты и обсуждение Теплопроводность мясной эмульсии измерялась стационарным методом в диапазоне температур от -5 до 95 °С. Результаты измерений приведены на рис. 2. Рис. 2. Зависимости изменения теплопроводности мясной эмульсии от температуры Figure 2. The temperature dependence of the thermal conductivity of the meat emulsion Как видно из рис. 2, теплопроводность имеет монотонно возрастающий характер. Значения тепло- проводности изменяются от 0,28 до 0,49 Вт/(м·К). Результаты известных литературных данных по теплопроводности различных фаршей представлены на рис. 3. Можно отметить, что измеренные значения теплопроводности схожи с литературными. Некоторые отличия связаны как с размером фракции мяса при измельчении, так и с видом мяса (теплопроводность фаршей говядины и свинины отличается на ~5 %). Рис. 3. Теплопроводность различных видов фаршей [5]: 1 - фарш для сосисок № 1; 2 - фарш для сосисок № 2; 3 - фарш говядины; 4 - фарш свинины Figure 3. Thermal conductivity of various types of minced meat [5]: 1 - minced sausage No. 1; 2 - minced sausage No. 2; 3 - minced beef; 4 - minced pork На кривых ДСК нагрева образцов мясной эмульсии (рис. 4) наблюдаются пики с эндотермическими тепловыми эффектами в диапазоне температур от -20 до 20 ºС. Объяснение данных изменений на кривых ДСК заключается в поглощении тепла образцами материала в процессе перехода из замороженного твердого состояния в жидкое. Соответственно, данный тепловой эффект можно наблюдать и на температурной зависимости теплоемкости (рис. 5). Рис. 4. ДСК-кривая измерения образцов мясной эмульсии: 1 - образец № 1; 2 - образец № 2; 3 - образец № 3 Figure 4. DSC curve of measurement of meat emulsion samples: 1 - sample No. 1; 2 - sample No. 2; 3 - sample No. 3 Значения теплоемкости в интервале температур перехода замороженной мясной эмульсии в вязкое состояние (без учета теплового эффекта) будут описываться полиномом второй степени. Тогда значения истинной удельной теплоемкости от -20 до 95 °С будут представляться аппроксимированной температурной зависимостью, изображенной на рис. 6. Рис. 5. Температурная зависимость теплоемкости образцов мясной эмульсии: 1 - образец № 1; 2 - образец № 2; 3 - образец № 3 Figure 5. Temperature dependence of the heat capacity of meat emulsion samples: 1 - sample No. 1; 2 - sample No. 2; 3 - sample No. 3 Рис. 6. Аппроксимированная температурная зависимость истинной теплоемкости образцов мясной эмульсии: 1 - образец № 1; 2 - образец № 2; 3 - образец № 3 Figure 6. Approximated temperature dependence of the true heat capacity of meat emulsion samples: 1 - sample No. 1; 2 - sample No. 2; 3 - sample No. 3 На основе полученных результатов эксперимента установлено, что по усредненным данным теплоемкость образцов мясной эмульсии, в исследуемом интервале температур, составляет от 2800 до 4410 Дж/(кг·К). Можно показать, что результаты исследований согласуются с литературными результатами, приведенными в [5]. Отличия связаны с массовым присутствием отдельных фракций в фарше, видом мяса, из которого изготавливают фарш, и содержанием в нем влаги. Заключение С помощью серийно выпускаемого оборудования проведено исследование теплопроводности и теплоемкости мясной эмульсии в диапазоне температур от -5 до 90 °С. Теплопроводность измерялась на приборе HFM436 методом стационарного теплового потока, теплоемкость - на при- боре DSC204F1 методом дифференциальной ска- нирующей калориметрии. Установлено, что значения теплопроводности, измеренные методом стационарного теплового потока, изменяются от 0,28 до 0,49 Вт/(м·К). Теплоемкость образца, измеренная методом диф- ференциальной сканирующей калориметрии, изменяется от 2800 до 4410 Дж/(кг·К). Полу- ченные значения теплофизических характеристик хорошо согласуются с литературными результатами.

About the authors

Dmitry Ya. Barinov

All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials of the National Research Center “Kurchatov Institute”; Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: rasma1@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0541-2744

PhD, engineer of the 2nd category, Laboratory “Research of Thermophysical Properties”, All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials, National Research Center “Kurchatov Institute”; senior lecturer, Department of Rocket and Space Composite Structures, Bauman Moscov State Technical University (National Research University)

17 Radio St, Moscow, 105005, Russian Federation; 5 2-ya Baumanskaya St, bldg 1, Moscow, 105005, Russian Federation

Sergey Yu. Shorstov

All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials of the National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: Sshorstov7@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4742-3644

technician of the 1st category, Laboratory “Research of Thermophysical Properties”

17 Radio St, Moscow, 105005, Russian Federation

References

Supplementary files