Study OF THE DEPENDENCE OF THE COEFFICIENT OF THERMAL CONDUCTIVITY ON THE BULK DENSITY OF THE FLOWER SCALES OF common OATS AVENA SATIVA L.
Authors: Д.В. Чащилов, 
Published: January 2023

При уборке урожая овса посевного Avena sativa L. от зерна отделяются сельскохозяйственные отходы, являющиеся потенциальным растительным сырьём, например, цветковая чешуя. Её количество достигает сотен тысяч тонн в год только по России. Цветковая чешуя овса может быть применена и как засыпной теплоизоляционный материл, например, в оборудовании для проведения тепловых процессов, так и как армирующий наполнитель полимерных композиционных материалов (ПКМ). Теплофизические свойства этого вида сырья практически не изучены. В связи с этим актуально изучение поведения цветковой чешуи при тепловом воздействии. Предметом экспериментального исследования выступила засыпки цветковой чешуи овса посевного Avena sativa L. различной насыпной плотности. Цель – установление зависимости коэффициента теплопроводности от насыпной плотности. Использовался метод стационарного теплового потока и прибор ИТП-МГ4, модель «100» (СКБ «Стройприбор», г. Челябинск, Россия). Растительное сырьё было выращено на опытном участке, урожай собран, обмолочен и провеян. Выход по цветковой чешуе составил 31,6%. Морфологически частицы цветковой чешуи представляют собой тонкие лепестки линзовидного контура, изогнутые в форме «лодочки». Длина составляет от 15 до 18 мм, ширина – от 5 до 8 мм, толщина – от 0,04 до 0,10 мм, высота свода – от 4 до 7 мм. Предложена модифицированная методика эксперимента по определению зависимости коэффициента теплопроводности от насыпной плотности. Для этого производится ступенчатое уплотнение испытуемого образца непосредственно в измерительной ячейке прибора. Коэффициент теплопроводности λ снижается от 0,048 до 0,027 Вт/(м∙К), при увеличении насыпной плотности ρ от 25 до 300 кг/м3. При насыпной плотности свыше 200 кг/м3 наблюдается увеличение угла наклона кривой. Предполагается, что это связано с изменением структуры насыпи – происходит ориентирование частиц в плоскости, нормальной к направлению уплотняющего усилия. Предложены аппроксимирующие выражения вида λ=0,077ρ-0,159, R2=0,9763 и λ=6,29∙10-5ρ+0,0457, R2=0,9887, для насыпной плотности меньше 200 кг/м3, и свыше 200 кг/м3 соответственно. Результаты экспериментального исследования могут быть использованы: 1) для определения коэффициента теплопроводности при применении цветковой чешуи овса в качестве засыпного теплоизолирующего материала при различной насыпной плотности; 2) для оценки теплового поведения цветковой чешуи, как армирующего наполнителя композиционных теплоизоляционных материалов; 3) для разработки перспективной интегрированной технологии переработки легковозобновляемого непищевого растительного сырья в востребованные экономикой РФ продукты.

When harvesting Avena sativa L.seed oats, agricultural waste, which is a potential vegetable plant raw material, for example, flower scales, is separated from the grain. Its quantity reaches hundreds of thousands of tons per year only in Russia. Oat flower scales can also be used as a backfill thermal insulation material, for example, in equipment for thermal processes, and as a reinforcing filler of polymer composite materials (PCM). The thermal behavior of this type of raw material is practically not studied. In this regard, it is important to study the behavior of flower scales under thermal exposure. The subject of the experimental study were the backfill flower scales of oats sown Avena sativa L. of various bulk density. The purpose is to establish the dependence of the thermal conductivity coefficient on the bulk density. The method of stationary heat flow and the device ITP-MG4, model "100" (SKB "Stroypribor", Chelyabinsk, Russia) were used. The plant raw materials were grown on the experimental plot, the harvest was harvested, threshed and screened. The yield on flower scales was 31.6%. Morphologically, the particles of flower scales are thin petals of a lenticular contour, curved in the shape of a "boat". The length ranges from 15 to 18 mm, width – from 5 to 8 mm, thickness – from 0.04 to 0.10 mm, arch height – from 4 to 7 mm. A modified experimental technique is proposed to determine the dependence of the thermal conductivity coefficient on the bulk density. To do this, a stepwise sealing of the test sample is performed directly in the measuring cell of the device. The coefficient of thermal conductivity λ decreases from 0.048 to 0.027 W/(m∙K), with an increase in the bulk density p in from 25 to 300 kg / m3. At a bulk density of 200 kg/m3, an increase in the angle of inclination of the curve is observed. It is assumed that this is due to a change in the structure of the embankment - the orientation of the particles occurs in a plane normal to the direction of the compacting force. Approximating expressions of the form λ=0.077p-0.159, R2=0.9763 and λ=6.29×10-5ρ+0.0457, R2=0.9887 are proposed, for bulk density less than 200 kg/m3, and over 200 kg/m3, respectively. The results of the experimental study can be used: 1) to determine the coefficient of thermal conductivity when using oat flower scales as a backfill insulating material at different bulk densities;2) to assess the thermal behavior of flower scales as an arching filler of heat-insulating composite materials; 3) to develop a promising integrated technology for processing easily renewable non-food plant raw materials into products in demand by the economy of the Russian Federation.