книги из ГПНТБ / Перегудов, В. В. Тепловые процессы и установки технологии полимерных строительных материалов и изделий учебник

в материале. Материал был подвергнут формованию в атмосфере, следовательно, его температура равна атмосферной. Так как ма­ териал хранится в атмосферных условиях и нагреву не подвергает­ ся, то перепад температуры, а следовательно, и градиент ее в ма­ териале отсутствует. Поэтому кривая температур в системе мате­

пиллярах, установится общее давление Р п , равное капиллярному

На поверхности пузырька имеется пленка воды, относительная влажность которой фв = 100%. В. пузырьке, забранном из атмосфе­ ры (начальное состояние) в момент времени ть относительная

атмосферное Р а , а также и капиллярное Рк на величину АР' В . Ш где

121

ста до конечной, равной 100%. Изложенное можно записать

Учитывая, что температура по толщине материала в период атмосферного хранения не изменяется, то во всех пузырьках воз­

на границе с поверхностью, избыточное давление существовать не может, оно релаксируется (ослабляется), и на границе с атмосфе­ рой установится атмосферное давление.

Рассмотрим теперь пузырек воздуха, находящийся на расстоя­ нии Х\ от центра материала. Избыточное давление в пузырьке действует-во все стороны, в том числе и в сторону поверхности, оказывая давление на влагу, находящуюся ближе к поверхности. Материал оказывает сопротивление выдавливанию влаги. Если из­ быточное давление в пузырьке, находящемся на расстоянии от по­ верхности, равном X—Х[ больше, чем сопротивление слоя материа­ ла толщиной X—Х\, то часть влаги будет выдавлена и пузырек расширится. В нем установится давление РП(х,ъ равное сопротив­ лению, которое оказывает слой материала толщиной X—Х± выдав­ ливанию влаги. Аналогично можно рассмотреть и пузырек воздуха, находящийся на расстоянии от поверхности X—Х%. Следова­ тельно, действительная кривая, отображающая избыточное давле­ ние в материале, будет выражаться не прямой, а какой-то кривой. Для отыскания этой кривой рассмотрим сопротивление слоя мате­ риала толщиной X. Вообще влагоили газопроницаемость мате­ риала зависит от величины пористости материала и ее характера. Эту зависимость для различных материалов определяют экспери­ ментально и выражают в виде кривой. При рассмотрении для не­ которого упрощения эту кривую с определенным приближением аппроксимируем прямой, тангенс угла наклона которой в этом слу­ чае будет характеризовать проницаемость материала в зависимо­ сти от пористости. Обратная величина влагоили газопроницаемо­ сти будет сопровотивление материала продвижению влаги или газов. Таким образом, прямая CD, проведенная на рис. 46, а, с неко­ торым приближением будет характеризовать сопротивление мате­ риала выдавливанию влаги.

Учитывая, что сопротивление материала влаго- и газопроницае­ мости различно, будем считать, опять в целях упрощения, что оно одинаково и характеризуется прямой CD. На поверхности материа­ ла сопротивление нулевое, следовательно, прямая CD берет нача­ ло на пересечении оси X с поверхностью пластины. В материале, таким образом, может существовать максимальное избыточное давление, характеризуемое точками прямой CD.

Учитывая, что при хранении изделия в атмосферных условиях возникает невысокое избыточное давление, равное всего 30—50 мм вод. ст., а сопротивление материала, выражаемое прямой, значи-

122

гельно выше, то релаксироваться будет только небольшая часть избыточного давления в прилегающих к поверхности слоях мате­ риала. Релаксируемое избыточное давление в этом случае будет выражаться площадью треугольника СКВ (на рис. 46, а заштрихо­ вано), а существующее избыточное давление в точках по толщине

Таким образом, в период атмосферного хранения материала плотность потока массы в материале будет характеризоваться дву­ мя частными потоками ати и атр:

чем на поверхности материала. Между сушильным агентом и ма­ териалом начинается процесс тепло- и массообмена. Поверхность материала нагревается до температуры мокрого термометра, по­ является перепад температур между центром и- поверхностью ма­ териала. "Кривая распределения температур к концу первого пе­ риода сушки (периода прогрева) изображена на рис. 46, б. В ма­ териале возникает градиент температуры, направленный из центра, и поток массы за счет термовлагопроводности qmt, направленный от поверхности в центр.

Количество влаги, удаляемое с поверхности, увеличивается, сле­ довательно, возрастает градиент .влатосодержаний V У и за счет него ноток массы qmu, направление остается такое же, ка'к и при хранении в атмосфере.

Одновременно изменяется и градиент давления. Для установле­ ния характера движения потока массы qmp проведем сначала пря­ мую CD, как и на рис. 46, а, определяющую сопротивление_материала выдавливанию' влаги.

Далее опять рассмотрим воздушные пузырьки, находящиеся в капиллярах, заполненных влагой. В пузырьках, расположенных вблизи поверхности, возросла температура, следовательно, относи­ тельная влажность фп снизилась. За счет дополнительного испаре­ ния влаги в пузырек давление возросло и характеризуется точкой В. В.пузырьках, расположенных в сечении Хх, температура повыси­ лась меньше, следовательно, и количество испаренной в пузырек влаги, равно как.и избыточное давление также меньше.

123

В пузырьках, расположенных в сечении Х2, температура и избы­ точное давление еще меньше. Поэтому избыточное давление долж­ но изображаться кривой, аналогичной кривой распределения тем­ пературы. Такая кривая АВ и нанесена пунктиром на рис. 46, б. Она пересекается с линией максимально возможного давления в материале в точке К, поэтому избыточное давление, характеризуе­ мое фигурой ВКС, релаксируется, а в материале к концу периода нагрева будет наблюдаться избыточное давление, соответствующее точкам, лежащим на линии ARC. Тогда в материале возникнет два градиента давления: один в сечении, лежащем от точки К к поверх­ ности, направленной от нее, будет вызывать поток массы qmp к по­ верхности материала; другой — в сечении, лежащем от'точки К к центру пластины, направленный от центра и вызывающий поток массы qmv к центру материала.

Таким образом, в период прогрева материала существуют все

стоянно, оно зависит от пористости материала и ее характера. Чем пористость больше, тем тангенс угла наклона линии CD будет меньше. •

Положение линии АВ характеризуется не только пористостью, но и теплопроводностью, поэтому линия АВ вообще может и не пе­ ресекаться с линией CD. Таким образом, здесь разобран только один из частных случаев, возможных при сушке материала.

Период постоянной скорости сушки. В период постоянной ско­ рости сушки температура поверхности материала остается постоян­ ной. Температура центральных слоев увеличивается и становится равной температуре поверхности. Градиент температуры, следова­ тельно, с начала периода уменьшается (см. рис. 37) и где-то в се­ редине периода становится равным нулю. Схема механизма для периода постоянной скорости сушки изображена на рис. 46, в, при­ чем рассматривается состояние, когда температура центра достиг­ ла температуры поверхности. Кривая температур будет в таком случае прямой, а поток массы qmt, ранее направленный в центр и тормозивший подвод влаги к поверхности, исчезнет. Градиент вла­ госодержания в период постоянной скорости сушки, как указывает

растет и достигает максимума, как показано на рис. 46, в, при этом восполняет общий поток массы qm к Поверхности, который должен был уменьшиться за счет снижения частного потока qmu. Это явле­ ние объясняет наличие постоянного общего потока массы к поверх­ ности в период постоянной скорости сушки.

Учитывая постоянство температуры, избыточное давление в ма­ териале должно быть одинаково, что и показано пунктирной лини-

124

ей АВ. Однако в материале избыточное давление может выражать­ ся только линией CD, как уже указывалось ранее, остальное релаксируется.

К концу периода постоянной скорости сушки V P начинает сни­ жаться. Первоначальный рост градиента давлений объясняется сле­ дующим. В пузырьках воздуха, которые нагреваются вместе с ма­ териалом, за счет нагрева снижается относительная влажность, что ведет к дополнительному испарению в них воды с поверхности ок­ ружающей пленки. Кроме того, некоторый, хотя и незначительный рост давления в пузырьках происходит за счет нагрева самого воздуха.

По мере удаления влаги из материала ее место занимают про­ рывающиеся из окружающей среды в материал новые пузырьки воздуха. Однако этот воздух (теплоноситель), нагретый до более высокой температуры и имеющий высокое влагосодержание, попа­ дая в материал, охлаждается (приобретает температуру материа­ ла) и оказывается либо почти насыщенным влагой ср~100%, либо даже пересыщенным, что почти исключает испарение влаги в пу­ зырек в первом случае, а во втором ведет к конденсации влаги. Поэтому давление в пузырьках может понижаться. Это явление — падение давления в период постоянной скорости сушки — и наблю­ дается при экспериментальных исследованиях.

Таким образом, в период постоянной скорости сушки градиент температуры постепенно "исчезает, градиент влагосодержания уменьшается, а градиент давления сначала возрастает, а потом, также уменьшается.

Период падающей скорости сушки. В этот период начинает воз­ растать температура поверхности пластины, приближаясь к темпе­ ратуре теплоносителя, и отстает нагрев центральных слоев, мате­ риала (см. рис. 46, г). Градиент температуры V t в начале периода возрастает. Градиент давления V P либо уже исчез, либо прибли­ жается к нулю V Р-МЗ, поэтому суммарный поток влаги резко уменьшается и выражается уже суммой двух потоков qmu и qmt. Кроме того, интенсивность потока влаги qmu также снижается за счет уменьшения влагосодержания ниже максимального гигро­ скопического.

К концу периода постепенно начинает снижаться и градиент температуры V t, так как разница температур поверхности и цент­ ральных слоев материала начинает уменьшаться. Поэтому в конце периода градиент температуры опять постепенно обращается в нуль (Vt-y-О). Постепенно уменьшается, но значительно медленнее, и градиент влагосодержания V U, однако полностью исчезнуть не может и будет существовать до тех пор, пока в материале содер­ жится влага.

Освобожденные капилляры материала от влаги в этот период замещает влажный воздух из сушильной установки, где он нахо­ дится при атмосферном давлении. Несколько охлаждаясь в мате­ риале, этот воздух, так же как и в предыдущем периоде, либо после охлаждения имеет почти 100% относительной влажности, что

125

исключает испарение влаги в пузырек, либо, приобретая при охлаж­

наибольшее значение у стенки, скорость циркуляции имеет меньшеезначение вблизи стенки. У самой стенки она равна нулю, и жид­ кость как бы прилипает к ней, образуя пограничный слой, затруд­ няющий процесс теплопереноса. Этот слой, или -пограничная водя­ ная пленка, находится в контакте с поверхностью пластины и с дви­ жущимися за счет циркуляции слоями воды.

В этом случае температура воды tB в бассейне будет выше тем­ пературы пленки tn, которая отдает часть своего тепла материалу,, а температура материала ниже температуры пленки, т. е. будет выполняться неравенство

/в /п tv (V.54).

126

Кривая температур £м , tn и tB показана на рис. 48. За счет пере­ пада температур в материале создается градиент температуры V t, направленный, согласно принятым осям координат, из центра' пластины к поверхности, который в случае постоянства tB постепен­ но уменьшается и стремится к нулю V t(x)-+Q.

Под действием градиента температур влага от более нагретых слоев начинает продвигаться к более холодным, образуя поток вла­ ги qmt, направленный к центру пластины. По мере продвижения влаги (поток qmt) поверхностные слои пластины увлажняются силь­ нее, в пластине возникает разность влагосодержания AUM. Кривая влагосодержания £ / м также показана на рис. 48. Наличие разности влагосодержания -вызывает возникновение градиента влагосодер­

ханизм возникновения градиента давления в данном случае отли­ чен от возникающего при сушке. Влага, двигаясь внутрь материа­ ла, сжимает воздух, находящийся внутри материала, и тем самым создает избыточное давление. Давление увеличивается также и за счет нагрева воздуха вместе с материалом. Принципиальный ха­ рактер кривой давлений в материале для данного случая показан на рис. 48. Таким образом, в материале имеется и градиент давле­

Интенсивность общего потока влаги qm определяют по формуле (V.46). При этом необходимо учитывать для каждого периода вре­ мени направление частных потоков.

.Рассматривая механизм передачи тепла, необходимо указать, что перенос тепла внутрь материала идет за счет его теплопровод­ ности и переноса тепла влагой, которая входит в поры материала. Кроме того, влага, которая увеличивает эффективность теплообме­ на, проникая внутрь материала, увеличивает и теплопроводность последнего. Особенно это заметно при нагреве пористого материа­ ла, такого, как, например, предварительно вспененные гранулы по­ листирола. Коэффициент теплопроводности полистирола очень не­

да создает «мостики», которые значительно улучшают теплообмен, материала с теплоносителем.

Подвергая анализу динамику процесса тепло- и массообмена,

127

необходимо отметить, что поры и капилляры материала постепенно заполняются водой, воздух вытесняется.

Обработанная таким образом древесина становится более элас­ тичной и податливой для дальнейшей переработки.

При вспенивании полимерных композиций процесс на этом не заканчивается. Рассмотрим дальнейший ход процесса на примере пенополистирола. Согласно ТУ пенополнстирол имеет 3—4% изопентана и петролейного эфира, растворенного в -гранулах. Смесь

туры разберем на примере созданного одномерного поля (рис. 50). На этой стадии при атмосферном давлении водяной пар из паро­ воздушной смеси, находящейся в рабочем пространстве камеры 1 и перфорированной формы 2, конденсируется на поверхности ма­ териала, образуя водяную пленку.

Если поры материала соизмеримы с гранулами, как, например, в случае загрузки в форму предварительно вспененных гранул пе­ нополистирола, то пар проникает в эти поры (рис. 50, а), конденси­ руется в них, образуя пленку конденсата не только на поверхности, но и внутри поверхностного слоя материала.

Дальнейший процесс идет таким образом, что пар не может пройти внутрь материала через эту пленку и вынужден отдать кон­ денсату свою теплоту парообразования. Постепенно заполняя поры, пар образует значительную по толщине пленку конденсата на по-

128

вер.хности материала (рис.. 50, а). Если поры несоизмеримо меньше частиц материала, как, например, в случае запарки древесины, то пленка конденсата образуется непосредственно на поверхности ма­

рис. 50, б. Процесс подогрева продолжается до момента, когда тем­ пература поверхности материала приобретает температуру среды (греющего пара).

Сравнивая рис. 50, а и 50, б, необходимо отметить, что при на­ греве материала с пористостью, соизмеримой с частицами мате-

Ппенка

конденсата

Паровоздушная

смесь

риала, за счет конденсации пара в поверхностном слое-, а не на поверхности происходит более быстрый подогрев поверхностного слоя материала.

При изотермической выдержке материала механизм тепло- и массообмена может быть представлен следующим образом (рис.51). Температура материала по оси X начинает выравниваться, гради­ ент температуры стремится к нулю ( V ^ ( t ) - ^ O ) , следовательно, поток влаги за счет градиента температуры, направленный от по­ верхности к центру материала, также стремится к нулю (gw-^O). Поры материала «к этому времени постепенно заполняются влагой. Перепад влагосодержания между поверхностью и центром умень: шается. Градиент влагосодержания и поток влаги за счет градиента влагосодержания также уменьшаются, постепенно стремятся к ну­ лю ( V U (т)->-0 и <7mu-^-0). Одновременно за счет выдавливания воз­ духа из пор и замещения его влагой уменьшается и прадиент дав­ ления V Р, снижая поток влаги qmp.