книги из ГПНТБ / Термодинамические основы интенсификации сушки строительных материалов и изделий [сборник]

Д. И. ШТАКЕЛЬБЕРГ

ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ И УСЛОВИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДИССИПАТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ

В ОТКРЫТОЙ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩЕЙ СИСТЕМЕ

Внутренняя энергия открытой структурообразующей системы определяется следующими независимыми пере­ менными [1]: температурой Т, объемом V, степенью за­ вершенности химической реакции £, степенью завершен­ ности структурообразования г|, массой ш. Полный диф­ ференциал внутренней энергии определится выраже­ нием

( 1)

где теплоемкость

(2)

скрытая теплота изменения объема

(3)

тепловой эффект химической реакции

теплота структурообразования

(5)

изохорно-изотермический потенциал массы

(6 )

21

С учетом соотношений (2) — (6) баланс возрастания энтропии записывается следующим образом

Для выявления физического смысла уравнения (7) запишем выражение для теплового эффекта химической реакции [2]

Аналогичным образом можно представить и осталь­ ные члены уравнения (7). Отсюда следует, что тепловой эквивалент каждого вида работы, совершаемой в систе­ ме, разделяется на теплоту экзотермического эффекта, отдаваемую в окружающую среду, и на теплоту, иду­ щую на совершенствование самой системы.

Согласно [1] для структурообразующих систем мо­ гут быть записаны следующие феноменологические соотношения:

где е^ — критерий взаимодействия, обусловленный хи мической реакцией.

22

Л. Б. ЦИМЕРМАНИС, Г. Е. БАННИКОВ

СТЕПЕНЬ ЗАВЕРШЕННОСТИ СТРУКТУР00БРА30ВАНИЯ ГЛИНЫ*

Для определения структурных характеристик лоденской (Латв. ССР) глины из свежеотформованных дре­ нажных труб диаметром 50 мм были вырезаны пластин­

U,

нг/кг

следующих значениях относительного давления водяно­ го пара ср: 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 0,95; 0,97; 0,99; 1,0. По полученным данным строились равно­ весные и неравновесные изохронные изотермы сорбции. На рис. 1 приведены три из них, наиболее характерные.

* В работе участвовали Д. И. Штакельберг, А. Р. Генкин.

24

равновесию глины с водяным паром.

Для каждой изотермы вычислялась сорбционная ак­

На рис. 2 приведены зависимости In а от ф, соответ­ ствующие упомянутым изотермам.

Анализ этих зависимостей показывает, что изотерма 3 характеризует капиллярно-пористое коллоидное тело. Изотерма 2 соответствует телу с типичной капиллярно­ пористой структурой, а на изотерме 1 влагосодержания еще не достигли значений, соответствующих изотерме для тела с типичной капиллярно-пористой структурой.

Изотермы 1 и 2 не являются равновесными, но и они свидетельствуют, что до определенного момента време­ ни в процессе сорбции глина обладает свойствами ти­ пичного капиллярно-пористого тела. В дальнейшем ин­ термицеллярное проникновение влаги увеличивает значе­ ния влагосодержаний и изотерма принимает вид, характерный для капиллярно-пористых коллоидных тел.

Поскольку по мере удаления влаги глина постепенно приобретает типичную капиллярно-пористую структуру, для анализа процесса сушки особое значение приобре­ тает определение ее сорбционных характеристик по не­ равновесной изотерме 2. Последняя может совпадать с равновесной изотермой сорбции какого-либо типичного капиллярно-пористого тела с определенной структурой. Ее мы будем называть «соответствующей типичной ка­ пиллярно-пористой» структурой глины. Для исследуе­ мой глины получены следующие сорбционные характе­

цессе импульсно-вакуумной сушки проводилось при следующих предварительно найденных режимных пара­

25

тп = 6 мин.; продолжительность импульса вакуумиро­ вания тв = 2 мин.\ глубина разрежения по циклам:

— начальная температура среды в установке tcu = = 100° С;

— конечная температура среды в установке tc к =

=150—250° С.

Впервом и восьмом цикле вакуумирование отсутст­

вует (тн = 8 мин.).

При данных параметрах общая продолжительность сушки от начального влагосодержания 16—18% Д о ко­ нечного 2—4%, без деформаций трубок и трещин — 64 мин. Сушка протекает при отсутствии перепадов тем­ пературы и влагосодержания между центром и поверх­ ностью трубки. Определение равновесных влагосодержанин глины после импульсно-вакуумной сушки дре­ нажных труб проводили по следующей методике. Из свежеотформованных труб вырезали 8 колец длиной 50 мм. В каждое из колец на глубину 5 мм от поверхноности установили предварительно увлажненный датчик

термодинамического равновесия между глиной и телом датчика.

Затем влагоизоляцию снимали и помещали образ­ цы в лабораторную сушильную установку [2].

После каждого из 8 циклов сушки образец из уста­ новки извлекали, взвешивали, влагоизолировали, поме­

26

построенным по табличным данным, приведенным в [1], определяли значения потенциала массопереноса 0 и от­ носительного давления пара <р. В результате была по­ лучена изотерма равновесных влагосодержаний глины после импульсно-вакуумной сушки дренажных труб

(рис. 3).

При ф > 0,8 равновесные влагосодержания глины, подвергнутой импульсно-вакуумной сушке, ниже соот­ ветствующих равновесных сорбционных влагосодержа­ ний (изотерма 3 на рис. 1).

U.

/и/кг

Рис. 3. Изотерма равновесных влагосодержаний после сушки

Данный метод позволил получить значения равно­ весных влагосодержаний и в гидротермической области, для которой эквивалентное относительное давление во­ дяного пара

Ф > 1.

Значения In а глины после импульсно-вакуумной суш­ ки приведены на рис. 4. Как видно из этого рисунка,

27

По данным рис. 5 вычислены следующие значения структурной коллоидной активности d0 и коэффициента

Рис. 4. Зависимость а и Ina от ср после сушки

цесса сушки происходит формирование капиллярно-по­ ристой коллоидной структуры из первичной коллоид­ ной, которой соответствует влагосодержание, значи­ тельно превышающее формовочное. При определенных значениях ф и 0 (фкр и ©Кр.) процесс образования ка­ пиллярно-пористой коллоидной структуры завершается и происходит постепенное ее приближение к соответ­ ствующей типичной капиллярно-пористой структуре глины.

28

При этом увеличивается сопротивление материала сжатию, растяжению при изгибе и др., а наблюдаемые изменения прочностных характеристик пропорциональ­ ны осмотической сорбционной активности, определяе­ мой из соотношения [1]

?п d

ной капиллярно-пористой структуры при одном и том же ф.

Так, в процессе определения равновесных влагосодержаний глины после сушки дренажных труб были найдены значения микротвердости для образцов после импульсно-вакуумной сушки при Т = 293° К*. На рис. 6 приведена зависимость микротвердости МТ от а0См ис­ следуемой глины после импульсно-вакуумной сушки. Для вычисления а0см по соотношению (3) значения а брали по рис. 4, а аа9 по изотерме 2 на рис. 2 при од­ них и тех же значениях ф. Последние соответствовали

* Определения проведены в проблемной лаборатории механики бетона Рижского политехнического института.

29