Литература от Абакумова ч2 / Осмотический массоперенос

Результаты опытов c образцами верхового торфа различной исходной влажности и плотности и

(6); в – торфяной почвы (γ0 =233 кг/м3) – 1,33 (1), 1,62 (2) (l — длина образца)

175

При равенстве потока влагопроводности к горячему торцу и обратного потока в паровой и жидкой фазах к холодному имеет место установившееся распределение влагосодержания по длине образца (рис. 6.4, кривые 1, 2).

При большем исходном влагосодержании и одинаковой плотности торфа с уменьшением размеров паропроводящих каналов (свободной пористости) в общем потоке влаги начинает преобладать жидкостный перенос влаги по всей длине образца. Это следует из анализа кривых 3 – 5 (рис. 6.4а). Перераспределение метки при этом становится весьма интенсивным из-за циркуляции влаги внутри замкнутого объема изолированных образцов.

При влагосодержании 3,94 и плотности твердых компонентов в единице объема γ0 =236 кг/м3 торф представляет собой систему, близкую к двухфазной. В этом случае перенос влаги в виде пара невозможен. Миграция влаги в жидкой фазе затруднена из-за отсутствия свободных от влаги пор. В связи с этим термоперенос влаги к холодному торцу компенсируется обратным потоком, вызванным градиентом влагосодержания (кривая 6). Незначительное изменение радиоактивности обусловлено циркуляцией влаги в левой половине образца (кривая 6′).

Результаты опытов с тем же торфом, но с меньшей плотностью γ0 =162 кг/м3 представлены на рис. 6.4б. Согласно кривым 1 и 2, при влагосодержании образцов торфа 1,29 – 1,8 и пористости соответственно 0,7 и 0,62 обратный поток влаги был малым. Метка накапливалась (графики 1′ и 2′) по всей длине более нагретой половины образца, а радиоактивность уменьшалась во второй половине образца. Фронт испарения влаги в течение опыта перемещался от нагреваемого торца к середине образца, а влага конденсировалась в его «холодной» половине.

С увеличением влагосодержания до 2,21 – 2,84 возрастал перенос влаги в жидкой фазе. Как следует из анализа графиков 3′– 5′, испарение влаги происходило только в слоях, примыкающих к нагреваемому торцу колонки. При большем влагосодержании 3,96 и низкой пористости 0,27 кривые распределения активности 5′ и влагосодержания 5 почти идентичны. В этом случае термоперенос равен обратному влагопереносу в материале. Максимальный вынос радиоактивности к горячему концу образца наблюдался при u =1,79 (рис. 6.4а, кривая 4′) и 2,21 (рис. 6.4б, кривая 3′).

Непосредственно из экспериментальных кривых можно определить перепады влагосодержаний u и температуры T по длине образца и рассчитать среднеинтегральные значения термоградиентных коэффициентов.

176

растительных тканей, а ассоциаты гуминовых веществ уплотнены, поэтому она имеет меньшую водопоглотительную способность и полную влагоемкость, чем верховой торф. По данной причине механизм массопереноса и соответственно графики 2 и 3 подобны, но кривая 3 смещена в область меньших влагосодержаний.

Таким образом, на интенсивность термопереноса влияет структура и степень связанности поглощенной влаги с материалом.

6.2.Зависимость термовлагопроводности от структуры материала

Структура материала существенно влияет на интенсивность термопереноса влаги в закрытых колонках. На рис. 6.6а приведены результаты опытов с серией образцов одинакового влагосодержания 2,9, но различной плотности твердых компонентов верхового торфа в единице объема влажного материала γ0 от 123 до 260 кг/м3.

Согласно рисунку, величина γ0 существенно влияет на конечное перераспределение влаги в образце. Так, при плотности γ0 =123 кг/м3 наблюдается наибольшая разность влагосодержания u (кривая 1). Распределе-

177

вызваны изменением структуры (пористости) материала, с уплотнением которого при постоянном влагосодержании происходят снижение активной пористости и перераспределение форм связанной влаги внутри него. Влага из набухших частиц поступает на их периферию. При малой плотности торфа число контактов между частицами мало. В связи с этим возникают пленки и связывающие их манжеты между частицами. Это вызывает перенос влаги смешанным механизмом от горячего торца образца к холодному и в обратном направлении. При этом результирующий термо-

178

поток влаги снижается. При малой пористости эти явления, как отмечалось, не наблюдаются.

Из опытов, проведенных с торфяной почвой с плотностью 133 – 230 кг/м3 (рис. 6.6б), следует, что общий механизм термовлагопроводности подобен термопереносу в верховом торфе. Однако почва даже при γ0 =230 кг/м3 имеет свободные поры, в которых аккумулируется переносимая жидкость. Максимальное перераспределение метки в почве наблюдается при γ0 =154 кг/м3.

Плотные частицы торфяной почвы мало набухают. При влагосодержании u =2 в ней находятся все виды связанной воды. Влага не может аккумулироваться на холодном конце образца, так как интенсивность осмотического поглощения влаги низка. Конденсируясь в макропорах, она переносится обратно в зону испарения. Результирующий термоперенос влаги в почве приблизительно на порядок ниже, чем в верховом торфе.

На интенсивность термовлагопроводности влияет дисперсность материала. Опыты проводились с образцами верхового торфа степени разложения 15 и 35% и влагосодержания 3,1. При механическом диспергировании волокна растений разрываются. Вода в клетках растительных тканей частично переходит в капиллярную. Диспергирование влечет сниже-

Диспергирование более эффективно для торфа малой степени разложения. В нем имеются неразложившиеся растительные остатки. С увеличением n эффект переработки снижается. Дальнейшее диспергирование

179

фяной почве соизмерима со средней интенсивностью термопереноса.

В образцах верхового торфа и почвы имеют место циркуляционные потоки влаги (см. рис. 6.8). При наличии капиллярной влаги в образцах почвы вынос радиоактивности к горячему торцу больше, чем в торфе.

Опыты были проведены при одинаковой средней температуре Тср =310 К, но при различных градиентах температуры Т=1, 3, 5, 7 К/см.

Согласно кривым (рис. 6.10), от градиентов температуры существенно зависят конечные распределения влагосодержания по длине образца. Чем выше градиент температуры, тем большее количество влаги перемещается от нагреваемого к холодному торцу колонки.

С увеличением градиентов температуры согласно кривым радиоактивности (рис. 6.10) возрастает циркуляция влаги внутри образцов. Причем она более интенсивна в малонабухающем материале – торфяной почве, чем в торфе.

почве u0 =1,86, γ0 =216 кг/м3

181

Таким образом, термоперенос влаги зависит как от структуры материала и энергии связи влаги с ним, так и от температуры и градиентов температуры.

6.4.Исследование кинетики термопереноса влаги методом гаммаскопии

Изменение влагосодержания в процессе термопереноса влаги определяли методом гаммаскопии на установке, подобной приведенной на рис. 4.22. Источником гамма-квантов были цезий-137 или тулий-170. Просвечивание гамма-излучением проводили в пяти слоях. Относительные координаты X =х/l слоев от горячего торца соответственно были равны 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 0,9 [22].

Равномерно увлажненный диспергированный торф помещался в кювету с одинаковой плотностью. Кювету с обоих торцов герметически закрывали крышками и укрепляли на направляющих. Через отверстия в кювете в образцы вводили термопары. Кювету с испытуемыми образцами выдерживали при комнатной температуре в течение 24 ч для равномерного распределения влаги и температуры по всему объему образцов. Перед началом опытов замеряли начальную температуру и регистрировали для каждого слоя образца количество импульсов после прохождения гаммаизлучения через материал.

Начальное влагосодержание определяли перед загрузкой торфа в кювету методом термостатной сушки. Нагрев образцов проводился с одного торца, а другой имел температуру окружающей среды.

Результаты экспериментов кинетики термовлагопроводности в диспергированном верховом торфе с начальным влагосодержанием 2,8 и плотностью γ0 =135 кг/м3 представлены на рис. 6.11.

У нагреваемого торца (X =0) температура постепенно возрастала и достигала значения 318 К через 1,5 ч после начала опыта. У поверхности холодного торца кюветы (X =1) температура в течение первых 0,5 ч оставалась равной комнатной температуре 294 К, а затем постепенно повышалась до 297 К.

В промежуточных слоях с относительными координатами X =0,5 и X =0,7 температура вначале возрастала медленно, а затем более интенсивно. После 2-х ч нагрева по длине образца устанавливалось линейное распределение температуры, которое сохранялось на протяжении всего последующего времени проведения опыта.

Влагосодержание в слое образца с относительной координатой X =0,1 сразу же после начала нагрева резко снижалось. Затем оно асимптотически приближалось к постоянному значению. Во втором слое с ко-

182

ординатой X =0,3 влагосодержание в начале опыта быстро возрастало из-

X =0, X =1 наблюдается в первые 36 ч нагрева. Дальнейшее его изменение по длине образца происходит значительно медленнее вследствие увеличения обратного оттока влаги к горячему торцу.

Из этих опытов следует, что для установившегося линейного распределения влагосодержания в торфе с γ0 =221 кг/м3 требуется время в 40 – 50 раз больше, чем для температуры. Для того же торфа меньшей плотности (γ0 =135 кг/м3) это время увеличивается еще на один, два порядка.

Ассоциаты торфа во второй половине образца при γ0 =135 кг/м3 и пористости 0,54 имеют возможность больше осмотически поглощать влагу. В образце возникает интенсивный пароперенос. В таком материале образуется система водопроводящих каналов конденсированной влаги, по-

183

нии 5 мм от нагреваемого торца. Его заполняли цементной пастой. Предварительно в воду затворения вводилась нерадиоактивная соль NaJ с меткой NaJ*.

Для нахождения распределений радиоактивной меткой щель в свинцовом контейнере с источником тулия-170 перекрывали свинцовой заглушкой. Ее толщина обеспечивала полное поглощение γ-квантов, поступающих от этого источника. Детектор фиксировал только гамма-излучение метки, поступающее из исследуемого образца.

Перед проведением экспериментов была изучена кинетика сорбции аниона йода на асбестоцементе (рис. 6.13, кривая 1). Поглощение асбестоцементом индикатора не дает возможности проводить точные количественные расчеты фазового состава переносимой влаги, но позволяет качественно исследовать механизм переноса влаги. Внесение в материал метки

184