Библиографическое описание:

Усмонкулов А. К., Алимов О. Н., Очилов М. М. Экспериментальные исследования теплоемкости хлопка-сырца и его компонентов // Молодой ученый. — 2013. — №1. — С. 23-25.

Как известно, хлопок-сырец обладает гигроскопическими и капилярно-пористыми коллоидными свойствами [1–3]. При тепловом воздействии внутри хлопка-сырца возможны все виды молекулярного и молярного переноса влаги и тепла. Процесс переноса тепла во влажных капиллярных-пористых телах связан с процессом переноса влаги, которая внутри тела может быть как в виде жидкости, так и в виде пара. При этом пар в порах находится в термическом и молекулярном равновесии с жидкостью и поэтому процесс испарение можно рассматривать как парообразование в большом сосуде.

В данной работе приводятся результаты экспериментального исследования изменения теплоемкости хлопка-сырца и его компонентов в зависимости от температуры и влажности.

Измерение теплоемкости проводилось в вакуумно-адиабатическом калориметре с дискретным вводом [3]. Используется медный герметичный калориметр объемом 10 см-3. Погрешность определения теплоемкости в интервале температур 30–1500С не более 0.5 %.

Калориметр позволяет измерить не истинную значение теплоемкости, а среднюю значение на температурном интервале

,

где подведенное к образцу конечное количество тепла (), — вызванное этим конечное приращение температуры образца, и — температура образца до и после нагрева (). Значение теплоемкости относят к средней температуре .

При расчетах теплофизических параметров различных используются значения удельной теплоемкость [4–6]

,

где: и — теплоемкость пустого () и заполненного () калориметра соответственно; — масса образца ().

Методика проведения эксперимента следующая:

  • калориметр заполняется хлопком-сырцом, хлопоковым-волокном или семенами, и взвешивается на аналитических весах;

  • калориметр помещается под вакуумный колпак и производится откачка в течение 10–20 минут. После откачки калориметр вновь взвешивается на аналитических весах, если изменение общей массы в пределах точности аналитических весов — то калориметр считается герметичным. Далее производится измерения значения теплоемкости по показаниям соответствующих приборов.

На рис. 1 и 2 представлены кривые экспериментальных зависимостей удельной теплоемкости хлопка-сырца (рис.1) и опущенных семян (рис. 2). Кривые 1 и 2 на рис. 1 получены при исходной влажности хлопка-сырца 8 % и 24 %, а на рис. 2 — при влажности опущенных семян 10 % и 20 % соответственно.

Видно, что в интервале изменения температуры теплоемкость хлопка-сырца и опущенных семян возрастает линейно, а при температуры свыше 100 0С она резко увеличивается по нелинейным законам. Последнее объясняется изменением структурных свойств соответствующих материалов при высоких температурах. Изменения удельной теплоемкости хлопка-сырца в температурном интервале составляет порядка 15 %, а в интервале — более 45 %. Этим можно объяснить значительное изменение поведения кривых вблизи точки , где вода превращается в пар.

Рис. 1. Зависимость теплоемкости хлопка-сырца от температуры.

Рис. 2. Зависимость теплоемкости опущенных семян от температуры.


Следует отметить, что состояние термодинамического равновесия наступает после завершения внутренних теплообменных процессов, протекающих по-разному в хлопке-сырце и его компонентов.

Анализ кривых, представленных на рис. 1 и 2, показывает, что зависимость теплоемкости от температуры практически подчиняется квадратичному закону. В связи с этим экспериментальные кривые для теплоемкости хлопка-сырца, и опущенных семян в первом приближении можно представить представим с помощью следующей зависимости [4]

, (1)

где , и — постоянные коэффициенты, зависящие от влажности и определяемые из экстремума функционал квадратичного отклонения

,

где — опытные значения теплоемкости при температуре для фиксированной влажности материала, – количество экспериментальных точек.

Относительное расхождение опытных данных теплоемкости с ее значениями, вычисленными по формуле (1) оценивалось по формуле

.

Проведенные численно-экспериментальные исследования показали, что формула (1) относительно близкие результаты дает в пределах температуры . При температуре относительное расхождение опытных данных теплоемкости возрастает и принимает большие, чем допустимых значения.

Кроме того, практическое применение формулы (1) вызывает неудобство, поскольку коэффициенты , и неявно зависят от влажности . Поэтому вводим новую формулу, содержащую явную зависимость теплоемкости от влажности

, (2)

где: — постоянные коэффициенты, определяемые опытным путем; , и — средние значения по влажности постоянных коэффициентов , и

Последнее выражение позволяет устанавливать функциональные зависимости между параметрами температура, влажности и теплоемкости материалов хлопка-сырца и опущенных семян.

Установлено, что последнее выражение наиболее точно описывает реальную картину зависимости теплоемкости хлопка-сырца и опущенных семян от влажности материалов и температуры сушки.

Таблица 1

Зависимость теплоемкости хлопка-сырца от температуры, полученная при различных значениях влажности с результатами расчетов по формулам (1) и (2)


, ,

,

,

Опыт

Формула (1)

Погр. (%)

Формула (2)

Погр. (%)

Опыт

Формула (1)

Погр. (%)

Формула (2)

Погр. (%)

30

1632

1610

1.323

1602

1.835

1912

1926

0.771

2000

4.625

40

1691

1687

0.223

1661

1.747

2047

2014

1.608

2074

1.350

50

1742

1759

0.997

1718

1.329

2101

2095

0.294

2146

2.156

60

1800

1826

1.491

1774

1.433

2152

2169

0.786

2215

0.161

70

1871

1889

0.994

1827

2.321

2219

2236

0.783

2282

0.303

80

1961

1947

0.678

1878

4.187

2289

2297

0.358

2346

0.121

90

2006

2001

0.243

1928

3.880

2340

2351

0.101

2466

0.280

100

2071

2050

1.022

1975

4.611

2401

2399

0.086

2466

0.112

110

2103

2094

0.434

2021

3.910

2464

2440

0.980

2523

1.623

120

2140

2133

0.316

2064

3.550

2483

2474

0.357

2577

4.768

130

2164

2167

0.181

2105

2.715

2499

2502

0.111

2628

5.194

140

2184

2231

0.636

2144

1.811

2511

2522

0.469

2677

6.641


В табл. 1 и 2 представлены значения постоянных , , , , , , , и теплоемкости в зависимости от температуры, полученные опытным путем и результаты расчетов по формулам (1) и (2) для различных значений влажности.

Из табличных данных следует, в формуле (2) значение постоянной практически равно нулю, что согласуется с формулой, предложенной в работе [1]. Близкие друг к другу значения имеют коэффициенты и при разных влажностях в отдельности для хлопка-сырца и его компонентов, а коэффициенты , и имеют близкие значения только для хлопка-сырца и опущенных семян (табл. 1 и 2), что указывает на общий характер изменения их теплоемкости от температуры и влажности.

Таблица 2

Зависимость теплоемкости опущенных о семян от температуры, полученная при различных значениях влажности с результатами расчетов по формулам (1) и (2)

,

% ,

% ,

Опыт

Формула (1)

Погр. (%)

Формула (2)

Погр. (%)

Опыт

Формула (1)

Погр. (%)

Формула (2)

Погр. (%)

30

1777

1762

0.826

1767

0.538

2139

2125

0.647

2078

2.843

40

1835

1835

0.042

1829

0.322

2200

2196

0.199

2150

2.241

50

1891

1903

0.663

1886

0.246

2251

2261

0.443

2218

1.465

60

1955

1965

0.543

1939

0.808

2301

2321

0.880

2280

0.905

70

2010

2021

0.596

1987

1.111

2368

2376

0.358

2337

1.303

80

2101

2072

1.348

2032

3.297

2417

2427

0.397

2389

1.161

90

2075

2117

2.055

2071

0.175

2485

2472

0.537

2436

1.989

100

2187

2157

1.375

2106

3.675

2533

2512

0.834

2477

2.210

110

2205

2190

0.657

2138

3.062

2556

2546

0.371

2513

1.670

120

2225

2218

0.297

2163

2.744

2577

2576

0.026

2544

1.264

130

2235

2240

0.249

2185

2.193

2592

2601

0.349

2570

0.836

140

2247

2257

0.447

2203

1.929

2615

2621

0.218

2591

0.914


В Ы В О Д Ы

  1. Разработана экспериментальная методика измерения теплоемкости хлопка-сырца и его компонентов в зависимости от температуры и влажности.

  2. Анализом экспериментальных данных установлено, что с ростом температуры сушки и влажности материала происходит перераспределение концентрации воздуха и влаги, которое может существенно влиять на ход кривых зависимостей теплоемкости.

  3. Предложены эмпирические формулы для расчета теплоемкости хлопка-сырца и его компонентов, аппроксимирующие экспериментальных зависимостей линейными или квадратичными функциями.


Литература:

  1. Щеколдин М. И. Тепловлажностные константы хлопка-сырца. М: Гизлегпром, 1958.

  2. Лыков А. В. Теория сушки. М: Энергия, 1968.

  3. Шашков А. Г. Методы измерений теплофизических характеристик материалов. Минск. 1996.

  4. Усманкулов А.К, Парпиев А. Уточнение методики определения коэффициента теплопередачи и оптимизация внутренних устройств сушильного барабана. Проблемы текстиля. № 3. 2002. С. 44–48.

  5. Усманкулов А.К, Парпиев А., Бегалиев А. Определение объемного коэффициента теплопередачи в сушильном барабане. Проблемы текстиля. № 2. 2006. С. 92–95.

  6. Усмонкулов А. К. Исследование конвективного тепла и масса переноса в движущемся хлопке-сырце и воздушной массе с приведенными теплофизическими и массообменными характеристиками. Проблемы механики. № 4–5. 2008. С. 41–46

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle