afanasev_a_e_fizicheskie_processy_torfyanogo_proizvodstva

131

Рис. 4.2. Зависимость Ri = f(W); мягкие(1) и жесткие (полевые) (2) условия сушки

Здесь Row – постоянная, характеризующая максимальную величину

которое в полулогарифмическом масштабе выражается двумя линейными

численно равными |tg αi| (i =1,2). Каждый из участков характеризует соответствующий период структурообразования (рис. 4.3): I период (от Wн до Wс, Wн >Wс) – определяет процесс структурообразования, когда система из жидкообразной переходит в твердообразную (по И.И. Лиштвану), преобладают молекулярно-поверхностные связи; II период (от Wс до Wк→0, Wс>Wк) характеризует временную стабилизацию коагуляционной структуры, когда система переходит из вязкопластичного в твердое состояние (преобладают водородные межмолекулярные связи) соответственно области c и d (см. рис. 4.1); III период вызван неоднородным проявлением I и II периодов в верхнем и центральном слоях кускового торфа, вследствие возникающего перепада капиллярных давлений в этих слоях. Проявляется он при “жестких” условиях сушки (полевые, радиационно-конвективный теплоподвод) преимущественно на границе удаления физико-химически связанной и моносорбированной влаги (ωm ≈ 30 – 37%).

132

Рис.4.3. Зависимость Ri = f(W) в полулогарифмическом масштабе: I, II, III – периоды структурообразования; 1 – при мягком, 2 – при жестком режимах сушки

Величина Wс повышается с ростом условной удельной So, поверхности частиц, слагающих кусок, начального влагосодержания Wн и с уменьшением температуры Т.

2. С ростом температуры сушки прочность материала уменьшается для всех значений Wi и So . Зависимость прочности от температуры материала следует из решения, установленного автором дифференциального уравнения

которое при Wi = Const принимает вид (рис. 4.4)

где Rот – характеризует начальную величину прочности Ri при отсутствии непосредственного числа связей между частицами. Она не зависит от Т и определяется Wi торфа. Величина

характеризует условную энергию активации (Дж/моль) процесса разрушения, зависящую от потенциального барьера Е0 между элементами структу-

134

303 (30°С), 343 (70°С) и т.д. для магелланикум мелкокускового торфа с RT = 25%. Вычисляем значение константы С для средней величины

Определяем Wi* по формуле (4.10):

1,71 103 1,71 103

W1* 6,04 кг/кг, T1 283

где С2 = (Eo/R*) = сonst. Уменьшить W* можно как повышением дисперсности формуемого материала, так и применением ПАВ, ВМС и электролитов. В этом случае повышение λ, Т, fi (fi – вероятность отсутствия дефектов в структуре образца), способствующее снижению W* при уменьшении объема образцов, обеспечивает более ранний, чем в обычных условиях, переход к прочным межмолекулярным водородным связям и росту их числа во втором периоде структурообразования, ответственному за качество конечного продукта.

Следовательно, при повышении значений Тф можно значительно уменьшить величину Wi*, сократить продолжительность сушки кускового торфа и увеличить число циклов за время сезона его добычи.

4. Для оценки влияния температуры и влагосодержания на структурообразование при сушке частиц (кусков) торфа используются предложенные А.Е. Афанасьевым температурный aт (1/К, при Wi = const):

и влажностный aw (1/(кг/кг), при Ti=const):

коэффициенты прочности. Физический смысл коэффициентов aт и aw следует из формул (4.11) и (4.12). Величина коэффициента aт растет с повышением значений Т и V (рис. 4.5). При Wi = W*= E/α, как следует из формулы (4.11), величина aт = 0 для любых значений Ti = const. С ростом Т

135

при Wi = const величина aт→0. С учетом уравнения (4.11) обобщенное уравнение (4.7) принимает вид

Рис. 4.5. Изменение коэффициента aТ от влагосодержания: 1, 2, 3 – соответственно разные величины Ti (T1>T2>T3)

Значения aт для магелланикум торфа составляют aт = 0,01–0,02 1/К. Влажностный коэффициент aw, как и λ, отражает энергетическую сторону процесса структурообразования. С учетом формулы (4.12 ) выражение (4.7) будет иметь вид

Коэффициенты aт и aw связаны между собой соотношением aw T dWdaт ,

причем aw изменяется в несколько раз больше диапазона коэффициента aт, что указывает на преобладающую роль в процессах структурообразования различных форм и энергии связи влаги с материалом.

5. С позиции механики сплошных сред “нарушенная” структура пористых тел отражает их основное свойство – быть пористыми. Управление такой структурой или прогнозирование ее свойств сводятся к переводу иерархии структуры на другой уровень, т.е. изменение рейтинга материала, что и составляет основную задачу физико-химической механики.

С позиции последней за прочность структуры материала отвечает вид связи (энергия связи), количество связей (П.А. Ребиндер, Е.Д. Щукин и др.) и наличие дефектов структуры (А.Е. Афанасьев [10]).

Согласно [7,10] под дефектами структуры торфяных систем понимается резко выраженная неоднородность в распределении пор, инородных включений (древесных остатков, минеральных частиц и т.д.), группового и

136

катионного составов, степени разложения. Одни из них оказывают влияние на прочностные свойства формованной или любой другой продукции из торфа непосредственно (поры, плотность твердой фазы), другие (распределение жидкой и газовой фаз) – в процессе сушки, третьи (групповой и катионный состав, степень разложения) определяют его природные фи- зико-механические свойства. Следовательно, можно выделить природные (генетические) и приобретенные (при подготовке торфа: переработка, формование, сушка, уборка и хранение готовой продукции) дефекты структуры.

Для различных размеров образцов вероятность отсутствия дефектов

показана в табл. 4.1. Здесь fс = exp(-β∙Vc) – вероятность отсутствия дефек-

ную сторону дефектности структуры в объеме Vc сухого тела. Наибольшее значение fi относится к образцам меньших размеров независимо от периода структурообразования и растет с уменьшением Wi, т.к. fс <1.

Значения β с уменьшением dн из-за интенсификации процессов тепломассопереноса в мелких образцах при мало изменяющемся числе дефектов Nд = β Vi ≥1 структуры. Коэффициент масштабного эффекта

растет с увеличением объема образца тем в большей степени, чем меньше dн. Здесь Rov – максимальная условная величина прочности образцов, Па.

Анализ коэффициента λ и удельной работы А разрушения (табл. 4.1) показывает, что они зависят от периода структурообразования, W, dн. Причем величина А мало отличается от потенциальной энергии взаимодействия Eo = (13.7…16.2)∙103 Дж/моль между элементами структуры (Ео = αWi), что и определяет оптимальные условия формирования (Ri = Row, Wн = W*) торфа, когда частицы торфа максимально разобщены, т.е. Eo = A и W = Eo/λR*T. Формирование происходит при наименьших затратах энергии и зависит от Ео, Т и λ. В нашем случае λ1 = 1,08…1,24 (i = 1) и

λ2 = 2,12…2,58 1/(кг/кг) (i = 2).

137

138

4.2. Влияние технологических факторов сушки на процессы структурообразования

При сушке кускового торфа (рис. 4.6) при T = const распределение влаги по сечению куска может быть выражено из уравнения внутреннего влагопереноса i = –am∙γc∙(dW/dx) и выражается уравнением

где <W> = f(i, dн, γ), и характеристик пористой структуры.

γс ρ (1 n),

где ρ – плотность твердой фазы в однофазном состоянии, для инженерных расчетов <ρ>= 1500 кг/м3 , n – общая пористость, зависящая от соотношения радиусов крупных r2 и узких r1 пор,

n rr12 f (r) dr .

Рис 4.6. Схема изменения влагосодержания

Другим технологическим фактором, определяющим качество готовой продукции, служит перепад влагосодержаний, пропорциональный перепаду капиллярных давлений, вызывающих неоднородное объемнонапряженное состояние куска. Это соотношение может быть выражено коэффициентом неравномерности Kw поля влагосодержания:

или через размер кусков dн и интенсивность i влагопереноса. Для этого в уравнении (4.18) выразим величину <W> из формулы (4.17) и получим, что