27
Теплоемкость и теплопроводность
Опубликовал: Petr_MSТеплоемкость и теплопроводность зимующих пчел
Ранее была описана методика и определены теплозащитные качества скоплений зимующих пчел in vitro методом регулярного режима. Продолжая тематику, определим теплоемкость и теплопроводность пчел, имеющих определяющее значение в установившемся режиме.
Теплоемкость in vitro определяется методом микрокалориметра регулярного режима. Для проведения исследований изготовили два цилиндра из латуни 0 20 мм, высотой 60 мм (рис. 1). Измерительный цилиндр-микрокалориметр 1 — полый, изготовлен из латунной фольги толщиной 0,07 мм и снабжен дном и крышкой из такого же материала. Цилиндр-эталон 2 — цельнометаллический.
Оба цилиндра снабжены медь-копелевыми термопарами 3, горячие спаи которых имеют тонкую пластмассовую изоляцию и размещены в центре на уровне ½ их высоты. Холодные спаи — свободные, выведены наружу. Для подвешивания к обоим цилиндрам припаяны петли 4.
Для проведения эксперимента собрали лабораторную установку (рис. 2), состоящую из камеры спокойного воздуха, в качестве которой использовали утепленный улей-лежак 1, внутри на тонких нитях 4 подвешены измерительный цилиндр-микрокалориметр 2 и цилиндр-эталон 7. Холодные спаи термопар 3 размещены в улье рядом с цилиндрами. В состав установки включен гальванометр 6 и переключатель 5. В качестве гальванометра использовали магнитоэлектрический микроамперметр М95 на пределе измерения 1 µА со световым указателем «зайчик» и длиной шкалы 140 мм, который позволяет фиксировать электродвижущую силу (ЭДС), развиваемую как измерительным цилиндром-микрокалориметром, так и цилиндром-эталоном. Гальванометр включен в разрез медных проводников термопар.
В соответствии с общей теорией регулярного режима [5, 8]полную теплоемкость исследуемого образца, помещенного в измерительном цилиндре, можно выразить формулой
где Сх — полная теплоемкость образца, Дж • К-1, в данном случае пчел; С — удельная теплоемкость пчел, Дж • кг-1 • К-1; Рх — масса пчел в измерительном цилиндре, кг; Ψ — критерий неравномерности температурного поля в цилиндре с пчелами; mN, m — темпы охлаждения эталона и микрокалориметра с пчелами, 1/с; CN, С1 — полные теплоемкости эталона и тонкостенного цилиндра, Дж•К-1.
В свою очередь, критерий неравномерности температурного поля исследуемого образца можно определить по формуле
где R — внутренний радиус микрокалориметра с пчелами, мм; а — коэффициент температуропроводности пчел, м2/с.
Тогда уравнение общей теплоемкости пчел примет вид
По условиям эксперимента масса эталона составляет 0,1565 кг, удельная теплоемкость — 390 Дж/(кг • К) [3], полная теплоемкость — CN = 61,04 Дж/К; масса измерительного цилиндра — 3,11•10-3 кг, удельная теплоемкость — 390 Дж/(кг • К), полная теплоемкость измерительного цилиндра С1 = 1,22 Дж/К, внутренний радиус RaH примерно равен наружному, то есть Rbh ≈ Rнар ≈ 0,01 м; температуропроводность пчел = 1,52•10-7 м2/с [7], внутренний объем определен по массе налитой в него воды V = 17,3•10-6 м3; масса размещенных в микрокалориметре (измерительном цилиндре) пчел Рх = 7,7•103 кг, их количество — 90 шт., а их плотность упаковки γ = 445 кг/м3.
В процессе исследований определили темпы охлаждения микрокалориметра с пчелами и эталона. Методика подробно изложена в журнале «Пчеловодство» [7]с небольшим отступлением. Микрокалориметр с пчелами и эталон находились в воздушной камере — камере спокойного воздуха [2].
Для измерения микрокалориметр заполняли пчелами, закрывали крышкой и после нагревания в воздушном термостате до температуры на 15...20°С выше, чем окружающая среда, помещали в камеру спокойного воздуха, где начиналось его охлаждение. Фиксировали показания микроамперметра и нарастающим итогом соответствующие им показания секундомера.
После завершения охлаждения испытания прекращали. Динамика процесса охлаждения пчел in vitro в микрокалориметре представлена на рисунке 3.
При условии, что измерения проведены корректно и установился регулярный режим, на графике должен быть участок, представленный прямой линией. Нами взяты точки А и Б с координатами соответственно t1 = 0 с и In N1 = 3,40; t2 = 1332 с и In N2 = 1,79, при которых темп охлаждения составляет
Аналогично в этой же камере после предварительного нагревания в воздушном термостате фиксировали показатели охлаждения эталонного цилиндра. Динамика процесса представлена на рисунке 4.
Следует отметить, что запись динамики охлаждения испытуемого образца и эталона необходимо вести одновременно, однако это потребовало бы включения двух гальванометров и одного автомата для фиксации показаний. Поэтому мы ограничились раздельным определением темпов их охлаждения: сначала пчел, затем эталона.
Как следует из рисунка 4, регулярный режим охлаждения эталона наиболее соответствует прямой А-Б с координатами соответственно t1 = 1080 с и In N1 = 3,50; t2 = 3500 с и In N2 = 2,00, при которых темп охлаждения составляет
Тогда полная теплоемкость пчел в микрокалориметре определяется расчетом
Соответственно, удельная теплоемкость пчел составит
Для сравнения: удельная теплоемкость меда — Суд = 2229 Дж/(кг•К) [1], а воска Суд = 2000 Дж/(кг•К) [9].
После нахождения удельной теплоемкости можно определить и теплопроводность пчел по формуле
λ = αсγ,
где λ — коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К); α — коэффициент температуропроводности, м2/с; с — удельная теплоемкость материала, Дж/(кгК); γ — плотность материала, кг/м3.
Подставив в формулу полученные нами данные, определим теплопроводность пчел
λ= 1,52•10-7•3513•445 = 0,24 Вт/(м • К).
Для сравнения: теплопроводность меда А = 0,349 Вт/(м•К) [10]; воска λ = 0,225-0,224 Вт/(м•К) [4].
В.И.ЛЕБЕДЕВ,
А.И.КАСЬЯНОВ, Е.П.ЛАПЫНИНА
ФГБНУ «ФНЦ пчеловодства»
ж-л «Пчеловодство» №1, 2019 г.
Литература
1. Гинзбург А.С., Громов М.А., Красовская Г.И. Теплофизические характеристики пищевых продуктов. — М., 1980.
2. Голянд М.М. Расчеты и испытания тепловой изоляции. —Л., 1961.
3. Григорьев В.А., Зорин В.М. Тепло- и массообмен. Технический эксперимент. — М., 1982.
4. Карпенко О. Ф. Удосконалення технологичного процессу виготовлення вощини на агрегатах з термостапруемым барабаном: автореф. дис. ... канд. техн. наук. — Харьков, 1996.
5. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. — М., 1954.
6. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. — М., 1957.
7. Лебедев В.И., Касьянов А.И., Лапынина Е.П. Теплозащитные качества скоплений зимующих пчел // Пчеловодство. — 2018. — № 7.
8. Лыков А.В. Теория теплопроводности. — М., 1967.
9. Тимохин И.В. Словарь-справочник по пчеловодству. — М., 1937.
10. Чубик И.А., Маслов A.M. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. — М., 1970.
Общайтесь со мной:
