Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература от Абакумова ч2 / Осмотический массоперенос

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
25.03.2016
Размер:
2.3 Mб
Скачать

конце сушки к высокой плотности и прочности образцов (кусков) торфа. Макропоры в процессе усадки в поверхностных слоях уменьшаются.

Об усадке свидетельствуют рост значений β, γ, γ0, b и незначительное уменьшение а. В этот период из-за существенного снижения скорости испарения q возрастает температура образца. Когда в материале устанавливается равновесное влагосодержание, она становится равной температуре внешней парогазовой среды.

Предложенный механизм сушки и усадки торфа следует из анализа кривых относительной радиоактивности N (см. рис. 4.14а, кривая 4) и скорости ее изменения в течение опыта B. В начале сушки бета-излучение поступает только с поверхности образца, поэтому значения N малы. При влагосодержании < 0,7 в торфе остается в основном сорбированная влага. Изза значительного обезвоживания пор в поверхностных слоях образца относительная радиация возрастает (см. рис. 4.14б, кривая 6). Наблюдается соответственно существенное увеличение темпа изменения радиации B.

В конце сушки при u < 0,5 происходит молекулярная усадка поверхностных слоев. Они уплотняются, и пористость а снижается (кривая 5), что вызывает поглощение бета-излучения твердыми компонентами торфа. Значения B резко снижаются. Возможна диффузия индикатора в глубь образца.

Интенсивность сушки при температуре Т=303 К и относительной влажности воздуха ϕ=0,94 (рис. 4.15) в 8 раз меньше, чем в опыте, приведенном на рис. 4.14. При этом работа десорбции влаги Ад =(RT/μ)ln(1/ϕ) уменьшается в 15 раз. В связи с этим усадка проходит менее интенсивно и значения плотности γ в течение сушки монотонно снижаются, а значения свободной пористости а возрастают. Коэффициент β в начале сушки меньше единицы. Затем он увеличивается и только в диапазоне влагосодержаний 1,1 – 0,7 β>1. При u <0,7 значения β резко снижаются. Следовательно, в течение всего времени сушки темп усадки отстает от скорости убыли влаги. В образец поступает воздух.

Механизм удаления влаги подобен уже описанному ранее (см. рис. 4.14), но имеются и некоторые различия. Обезвоживание крупных пор сопровождается «отжатием» осмотической воды из ассоциатов торфа. Эти процессы происходят одновременно и с малой скоростью. Следует учитывать то обстоятельство, что внутри макропор ϕ→1 из-за высокой относительной влажности воздуха вне образца. При ϕ=0,94 развиваемые в материале капиллярно-осмотическое давление и усадка малы. В связи с этим не наблюдаются два периода постоянной скорости сушки, как это имеет место при более жестком режиме сушки. Плотность образцов γ (рис. 4.15б, кривая 1) постепенно снижается за счет уплотнения ассоциатов.

Увеличение активной пористости а (рис. 4.15, кривая 5) связано с обезвоживанием макропор между ассоциатами и выносом влаги на поверхность образца. Эта влага образует мениски между заполненными во-

125

дой ассоциатами и связанными с ними толстыми пленками влаги (см. рис. 3.12). Как отмечалось, мениски в местах контакта частиц (ассоциатов) и связанные с ними пленки образуют систему, по которой влага в жидкой фазе перемещается к поверхности тела. Общий поток влаги является совокупностью дискретных активированных скачков молекул воды. Пленки переносят радиоактивную метку в периферийные слои образца. Ее поступление наблюдается при влагосодержании u <2. Особенно большое увеличение относительной радиоактивности имеет место в период падающей скорости сушки. Однако дальнейшее ее повышение после прекращения осмотического переноса связано с механизмом, рассмотренным ранее (рис. 4.14 а, кривая 4). Наблюдается положительная разность температур между центральными и поверхностными слоями образца в период удаления осмотической и сорбированной влаги. Равновесное влагосодержание достигается при u =0,4.

Рис. 4.15. Сушка образцов низинного торфа при Т=303 К, ϕ=0,94 ±0,02: а – изменение в течение времени сушки τ (ч) значений влагосодержания u (1), объема V 106 3) (2), скорости сушки q –1) (3), относительной удельной активности N (4), температуры

Т (К) на поверхности (5) и центре (6) образцов; б – изменение плотностей γ 102 (1) и γ0 102 (2) (кг/м3), q –1) (3), коэффициента β (4), свободной пористости а (5) и измене-

ния скорости поступления излучения B –1) (6) в зависимости от влагосодержания u

126

Рис. 4.16. Зависимости относительной интенсивности испарения i/i0 от влагосодержания u при

Т=323 К и ϕ=0,1 (1); 0,3 (2); 0,5 (3); 0,76 (4)

Была проведена серия опытов со сферическими образцами торфа при температуре 323 К и относительной влажности внешней парогазовой среды ϕ=0,1; 0,3; 0,5; 0,76. Результаты этих экспериментов согласуются с опытами, которые обсуждались выше.

Согласно опытам, при всех значениях ϕ с разной интенсивностью происходят процессы усадки, отжатия влаги, ее перенос в периферийные слои и увеличение общей площади испарения по отношению к начальной (рис. 4.16). При этом темпы относительной скорости сушки (q) и усадки (α) были близки между собой, поэтому

графики зависимости β(u) подобны (рис. 4.17). Однако с увеличением скорости обезвоживания наблюдались различия между темпами сушки и усадки.

 

В диапазоне

влагосодержа-

 

ний 2 – 4 значения β равны или не-

 

значительно превышают единицу.

 

За счет усадки влага перемещается

 

к поверхности образца, с которой

 

она испаряется.

 

 

 

При u <2 значения β<1. Ме-

 

жду частицами торфа

возникают

Рис. 4.17. Изменение плотности γ 103 (кг/м3)

когезионные контакты.

Создается

и коэффициента β (1 4) от влагосодержа-

структура, способная воспринимать

ния u образцов торфа при Т=323 К и ϕ=0,1

капиллярно-осмотические давле-

(1); 0,3 (2); 0,5 (3); 0,76 (4)

ния. Капиллярные

мениски пере-

мещаются в глубь образца. Возникает область обезвоженных макропор над зоной испарения, что вызывает увеличение радиоактивности поверхностных слоев.

Из-за снижения теплопроводности вследствие обезвоживания макропор наблюдается понижение температуры в центре по отношению к периферии образца при u <2. Это свидетельствует о том, что имеет место парообразование внутри образца. Перепады температуры между центром и периферией достигают 2 – 3 К. Возникает дополнительный поток термовлагопроводности, направленный от периферии к центру образца в область более низкой температуры.

127

При влагосодержании u <1 из-за интенсивной усадки вновь возрастают значения коэффициента β. Из пор вытесняется воздух. Влага удаляется в поверхностных слоях образца в паровой фазе. Изменяется плотность образца. В диапазоне влагосодержания от начального до u =2 она постоянная 1000 кг/м3, а при меньшем влагосодержании вплоть до равновесного монотонно возрастает до 1080 кг/м3 (рис. 4.17).

В табл. 4.3 приведены значения среднеинтегрального критерия фазового превращения ε. Наибольшая и наименьшая его величины наблюдаются при ϕ=0,3 и ϕ=0,5. Этим значениям относительной влажности воздуха соответствуют кривые 2 и 3 рис. 4.17. В первом случае происходила более низкая усадка материала и интенсивное поступление воздуха в глубь образца, во втором – темп усадки при u > 1 был близок к скорости удаления влаги из образца. Это позволило получить более прочный конечный продукт сушки.

Скорость конвективной сушки q(u) убывает с увеличением относительной влажности воздуха ϕ. Об этом свидетельствуют опыты, проведенные при температуре 303 К и значениях ϕ=0,3; 0,5; 0,7 и 0,93 (рис. 4.18).

На кривых 14можно отметить участки с постоянной и переменной скоростью сушки. Кривые скорости выноса метки B на поверхность торфяных образцов 1, 3и 4подобны. Исключением является кривая 2. Аналогичный характер при ϕ=0,5 имеют графики B в серии других опытов, не приведенных на рис. 4.18. При ϕ=0,3 возрастает число непосредственных связей между макромолекулами и наблюдается более глубокая усадка ассоциатов и образца в целом. Такой вывод следует из анализа графиков плотности образца γ (1) и коэффициентов β (1′′′).

Значения β близки к единице и резко возрастают при u < 0,5. Из-за большого уплотнения образца (особенно поверхностных слоев) увеличивается концентрация радиоактивного индикатора в нем. Скорость изменения радиоактивности над его поверхностью B в этом случае максимальная (кривая 1′′).

При относительной влажности воздуха 0,93 капиллярноосмотическое давление мало, поэтому усадка значительно отстает от убыли влаги (β<1). В связи с этим плотность такого образца наименьшая.

Работа десорбции Ад для ϕ=0,3; 0,5; 0,7 и 0,93 соответственно равна 169; 97,5; 49,5; 10,1 кДж/кг. Им соответствуют средние скорости сушки q: 0,43; 0,37; 0,17; 0,07 ч–1.

Под средней скоростью понимается отношение разности конечного и начального влагосодержаний материала, отнесенной к времени сушки. Из приведенных расчетных значений следует, что средняя скорость сушки возрастает не пропорционально Ад. Имеется максимум при ϕ=0,5.

128

 

При этом значении ϕ

 

создаются

благоприятные

 

для данного режима и ма-

 

териала условия сушки.

 

Происходит

обезво-

 

живание

 

макропор

до

 

u =3,2 (рис. 4.8, кривая 2), а

 

затем массоперенос к по-

 

верхности

образца.

Кривая

 

скорости сушки 2 близка к

 

кривой

1.

Радиоактивная

 

метка переносится вместе с

 

пленочной влагой. Ее кон-

 

центрация

в

пленке

воды

 

возрастает. При молекуляр-

 

ной усадке макропоры пе-

 

рекрываются.

Образуется

 

поверхностный слой – кор-

 

ка. Это приводит к сниже-

 

нию значений B (кривая 2′′)

 

при u <0,8.

 

 

 

 

 

Из приведенных опы-

Рис. 4.18. Зависимости скорости сушки q –1) (1

тов следует, что путем соз-

4), температуры поверхности Тп (К) (1°4°), плотно-

дания оптимальных

струк-

сти образца γ 103 (кг/м3) (1– 4), темпа изменения

тур материала (их дисперс-

интенсивности радиоактивного излучения B –1)

ности, размеров пор и гео-

(1′′– 4′′), коэффициентов β (1′′′4′′′) от влагосодер-

метрической

формы

про-

жания u, полученные в опытах со сферическими об-

дукции) можно интенсифи-

разцами низинного торфа при температуре среды

цировать процесс его суш-

Т=303 К и ϕ=0,3 (1); 0,5 (2); 0,7 (3); 0,93 (4)

ки. Это

можно осуществ-

 

лять при заданных режимах сушки за счет жидкостного переноса влаги и получать продукцию максимальной прочности.

Были проведены опыты с образцами того же низинного торфа при постоянной относительной влажности ϕ=0,3 и температурах воздуха Т=303; 313; 323 К. Согласно экспериментам с повышением температуры, при более высоком влагосодержании начинаются и заканчиваются вынос радиоактивности и темп ее поступления излучения в счетчик B. Значения конечной плотности образцов уменьшаются, а скорости сушки возрастают с ростом температуры среды.

На рис. 4.19 приведены результаты опытов с низинным торфом. Он имел высокую степень биохимического разложения R =40% и узкий спектр макропор по размерам, подвергался дополнительному механиче-

129

скому измельчению, представлял собой легкодеформируемую, пластичную гелеобразную массу. Доля осмотической влаги в нем выше, чем в образцах торфа более низкой дисперсности. По своим свойствам такой торф близок к природным гелям высокомолекулярных соединений – агар-агару, желатину (см. раздел 4.5).

Рис. 4.19. Зависимости скорости испарения q –1) (1 – 3), плотности образца γ 103 (кг/м3) (13), темпа изменения интенсивности излучения B –1) (1′′3′′) и ко-

эффициентов β (1′′′3′′′) от влагосодержания u, полученные в опытах со сферическими образцами диспергированного торфа R =40% при ϕ=0,3 и Т=303 (1);313 (2); 323 (3) К

При сушке осмотическая влага испаряется с поверхности образца. Об этом свидетельствует коэффициент β, который до влагосодержания u 1 близок к единице. В конце сушки возрастает концентрация сухого вещества в периферийных слоях и образуется «корка». Увеличивается радиоактивность в корковом слое. До образования корки радиоактивность частично поглощается осмотической влагой. Период ее создания сопровождается увеличением плотности и значений β и B.

С ростом температуры процессы обезвоживания материала ускоряются. В связи с этим образующаяся пространственная структура из совокупности ассоциатов оказывается более пористой, чем при низких температурах. При снижении скорости сушки возрастает диапазон времени, необходимый для деформации матрицы и образования межмолекулярных контактов внутри и между ассоциатами. В этом случае продукт сушки получается более плотный (рис. 4.19, кривая 1).

Капиллярно-осмотическое давление Pк в процессе сушки измеряли микротензиометрами с внутренним диаметром 0,3 мкм и длиной 4 – 5 см. Микротензиометры открытым концом устанавливали в центре сферических образцов торфа размером 15 мм с начальным влагосодержанием u0 =4. Графики изменения давления Pк по мере сушки образцов торфа при

130

 

температуре 323 К и относительной влажно-

 

сти воздуха φ=0,1 и 0,76 приведены на рис.

 

4.20. Значительный рост капиллярных давле-

 

ний наблюдается при u < 3. В этом случае

 

между частицами торфа резко возрастает

 

число коагуляционных контактов.

 

От времени сушки зависят процессы

 

релаксации возникающих при усадке напря-

 

жений. Если темп сушки и роста капиллярно-

 

осмотических давлений меньше, чем темп

 

усадки, то напряжения в материале успевают

Рис. 4.20. Изменение капилляр-

релаксировать. В противном случае в нем ос-

ного давления Рк (МПа) от вла-

таются нерелаксированные напряжения. По-

госодержания u в центре образ-

следние приводят к формированию неравно-

цов низинного торфа при

мерной структуры в различных участках те-

Т=323 К; ϕ=0,76 (1) и 0,1 (2)

ла, что оказывает существенное влияние на

 

внутренний массоперенос.

Капиллярно-осмотическое давление способствует сближению частиц, росту когезионных контактов, увеличению прочности материала. При сушке в объеме тела возникают неравномерные распределения влаги. Это вызывает различную по интенсивности локальную усадку, которая приводит к разрывам молекулярных связей между частицами материала, образованию трещин и снижению прочности продукта сушки (см. раздел 8.4).

Из анализа всех экспериментов, приведенных в разделах 4.1 – 4.3, следует, что интенсивность сушки зависит как от условий внешнего тепломассообмена, так и скорости внутреннего массопереноса. Если в начальной стадии сушка зависит от внешнего тепломассообмена, то в период падающей скорости сушки от внутреннего

механизма массопереноса.

С увеличением величины работы десорбции Ад при повышении температуры и снижением относительной влажности φ внешней парогазовой среды, скорости конвективной сушки в постоянном периоде q возрастают (рис. 4.21).

Для пористых различных материалов

Рис. 4.21. Зависимости скорости при постоянном значении Ад скорости сушки q –1) в постоянном периоде сушки неоднозначны. В деформируемых в от работы десорбции Ад (кДж/моль) процессе сушки материалах (глина, торф)

образцов гидрослюды (1), монтмо-

риллонита (2), торфа (3), пористого они выше, чем недеформируемых (порис-

гидрофильного (4) и гидрофобного тый кварц и керамика). (5) кварца, керамики (6)

131

Большая часть влаги переносится в паровой фазе (табл. 4.3). Сред-

Таблица 4.3. Среднеинтеграль-

неинтегральные значения критерия фазо-

ные значения критерия фазового

вого превращенияε выше в монтморил-

превращенияε для коллоидных

лоните, чем в гидрослюдистой глине. Пер-

капиллярно-пористых тел

 

 

вая имеет большое количество межслое-

 

 

 

 

 

вой влаги, находящейся в набухающих

Материал

ϕ

Т, К

ε

 

 

 

 

 

кристаллах монтмориллонита. Вторая –

Гидро-

0,3

323

0,76

 

0,3

343

0,74

 

малонабухающая глина. Удаление в ней

слюда

0,76

323

0,84

 

сорбированной влаги происходит пре-

 

 

 

0,3

323

0,83

 

имущественно в паровой фазе, поэтому

Монтмо-

0,3

343

0,88

 

значенияε для монтмориллонита выше.

риллонит

0,76

323

0,9

 

Торф имеет большую

усадку, чем

 

0,76

343

0,72

 

 

 

глины. Поглощенная частицами торфа ос-

 

0,1

 

0,68

 

Торф

0,3

323

0,71

 

мотическая влага отжимается в макропоры

0,4

0,66

 

и поступает в периферийные слои образца,

 

 

 

 

0,76

 

0,69

 

где и испаряется. Однако

вследствие

большой усадки и подвижности структуры торфа происходит уменьшение объема макропор, по которым пар переносится в окружающую среду. По этой причине наблюдается снижение критерия фазового превращенияε по отношению к глинам.

4.4. Влагоперенос в древесине

Наиболее энергоемким техно-логическим процессом получения качественных изделий из древесины является ее сушка [42].

Опыты проводили на лабораторной установке (рис. 4.22) одновременно с двумя симметрично расположенными относительно нагревателя образцами 1. Они находились в кювете 2, изготовленной из тепло- и влагоизолирующего материала. Каждая секция кюветы с наружной стороны закрывалась медными крышками 3. С помощью винта 4 кювета передвигалась по направляющим в любое фиксированное положение с погрешностью ±0,1 мм. Нагрев образцов проводился нагревателем 5, выполненным в форме плоской пластины. Он находился внутри кожуха из красной меди. Постоянство температуры нагревателя обеспечивалось блоком управления нагревом (БУН). Для этого один спай медно-константановой термопары касался кожуха нагревателя, а второй погружался в сосуд Дьюара с тающим льдом 6. Термопара подключалась через коммутатор 7 к зеркальному гальванометру 8. На шкале гальванометра было смонтировано фотосопротивление, которое фиксировало перемещение стрелки-указателя и передавало сигнал в БУН для включения (или отключения) нагревателя.

132

Точность поддерживания температуры в опытах составляла ±0,5 К. Горячие спаи термопары были установлены на расстоянии (в относительных координатах X =x/l) 0; 0,3; 0,5; 0,7; 1 от нагреваемого торца образца.

Источник радиоактивного гаммаизлучения 9 помещался в свинцовом контейнере с толщиной стенок 200 мм. В нем имелась коллимирующая щель. Во избежание учета рассеянного излучения счетчик гамма-квантов 10 имел свинцовую защиту толщиной 115 мм. Ширина щели составляла 10 мм. Счетчик подключался к радиометрическому пробору (РП).

В качестве источника гаммаквантов применялись изотопы цезия Cs137 и тулия Tu170. Первый источник Cs137 общей радиоактивностью 10 мил-

Рис. 4.22. Схема установки для иссле- ликюри представлял собой цилиндри-

дования внутреннего переноса влаги в ческую ампулу в алюминиевой оболоч-

древесине ке. Второй источник Tu170 активностью 4,8 мг-экв радия был заключен в цилиндрическую ампулу из алюминия диаметром 5 мм и высотой 5,5 мм. При-

менение более жесткого гамма-излучения кобальта Co60 показало низкую степень поглощения его влажными органическими материалами, имеющими меньшую плотность по сравнению с минеральными.

Интенсивность монохроматического пучка гамма-излучения, проходящего через слой материала, снижается по экспоненциальному закону. Для расчета изменения влагосодержания в любом слое образца служила формула

u =u2 u1 =(1 +u1)ln(N1/N2)/ln(N0/N1),

(4.4.1)

где u1, u2 – исходное и конечное влагосодержания; N1 и N2 – соответствующие им количество регистрируемых импульсов в единицу времени; N0

– то же, при отсутствии исследуемого вещества (древесины).

Тепловую обработку брусков древесины проводили при конвектив- но-кондуктивном способе подвода тепла. Нижняя поверхность бруса высотой и шириной 8 и длиной 40 см находилась на нагревателе. Он представлял собой решетку с отверстиями 1 см и расстояниями между отверстиями 1,5 см. Через отверстия пар из материала мог поступать в окружающую парогазовую среду. Верхняя открытая поверхность бруска контактировала непосредственно с парогазовой средой. Режим тепловой обработки был следующим: подъем температуры, изотермическая выдержка

133

при температуре 358 К и остывание до комнатной температуре соответственно 3 +16 +2 ч.

Образцы были получены из средней части между периферийными и центральными частями сечения бревна. Ось бруска по длине была направлена вдоль волокна (водопроводящих каналов). Влага при сушке перемещалась по высоте образца поперек волокон через систему макропор, заполненных влагой и воздухом.

Общую убыль влаги u во всем образце контролировали весовым методом (рис. 4.23). На кривой изменения во времени τ среднего по объему образца влагосодержания u имеются участки: прогрев материала, затем постоянный и переменный периоды сушки.

Полученные весовым методом влагосодержания сравнивали с результатами определения его методом гаммаскопии с целью оценки точности измерения влажности этим методом. Для снижения деформаций (коробления) древесины в конце сушки относительную влажность воздуха ϕ=0,8 поддержива-

Рис. 4.23. Кривая сушки образ-

ли постоянной.

ца сосны размером 8 ×8 ×40 см

В центральных слоях в начальный пе-

(u0 =0,5; τ, ч)

риод влажность практически не изменяется.

 

И только после прогрева бруска сосны на-

блюдается обезвоживание этих слоев. Максимальная неоднородность влагосодержания отмечена в конце изотермической выдержки. После термообработки при остывании образца происходит (особенно в верхних слоях) сорбция паров воды из внешней парогазовой среды.

Распределение влаги по длине образца l (вдоль волокон) также неравномерное (рис. 4.24). Разность влагосодержаний между торцевыми и центральными слоями после 28 ч термообработки достигало величины около 0,18. Перепады влажности были вызваны тем, что торцевые поверхности брусков были покрыты гидрофобным слоем ацетоновой краски.

При двухстороннем кондуктивном теплоподводе сверху и снизу брусков сосны пары воды из материала через отверстия в нагревателях поступили в окружающую парогазовую среду.

Рис. 4.24. Распределение влагосодержания u по длине образца l (см) (цифрами указано время термообработки, ч)

134