CC BY
0Ч.С. Лайдабон, д-р техн. наук, проф.
А.Ч. Лайдабон, инженер Б.Б. Бадмаев, д-р техн. наук, проф.
Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления
УДК 674.048
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ
МАССОПЕРЕНОСА В СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ
В статье рассматриваются основные факторы, влияющие на скорость массопереноса в пористых системах. Показано, что жидкости состоят из кластеров, разрушая которые можно добиться увеличения проникающей способности жидкостей в пористые материалы.
Ключевые слова: пористые материалы, древесина, массоперенос, диффузия, пропитка, кластер, электрические машины.
Ch. S. Laydabon, D. Sc. Engineering, Prof.
A.Ch. Laydabon, Engineer B.B. Badmaev, D. Sc. Engineering, Prof.
HYDRODYNAMIC METHOD OF MASS TRANSFER PROCESSES INTENSIFICATION
IN POROUS SYSTEMS
The articleconsiders the main factorsaffecting therate of mass transferinporous systems.The authors shows thata liquid is composed ofclusters, when being destroyed can improve thepenetrationof liquidsinto porousmaterials.
Key words: porous materials, wood, mass transfer,diffusion, impregnation, cluster, electric machines.
Многие пористые материалы, к которым относятся и строительные, в производственных целях подвергаются пропитке специальными растворами. Эти процессы - явления массопереноса в пористых системах, протекают чрезвычайно медленно, что на практике ограничивает применение модификации пористых материалов. Поэтому проблема интенсификации процесса пропитки пористых материалов приобретает особое значение.
Для определения путей ускорения пропитки пористых материалов предварительно проанализируем весь технологический процесс пропитки. В общем случае перенос массы в пористых системах осуществляется в результате самодиффузии, при наличии градиента концентрации или плотности, термодиффузии - температуры и бародиффузии - давления [1]. На первом этапе производится сушка пористого материала, т.е. освобождается поровое пространство материала. Далее происходит заполнение освободившегося пространства жидкостью под действием градиента давления (бародиффузия), обусловленного либо капиллярными явлениями, либо напором столба жидкости, или другими причинами. Бародиффузия описывается законом Дарси:
Зр = -K grad Р .
Пользуясь известной формулой Пуазейля, можно получить выражение для потока бародиффузии :
M(t) = pp4Por 3 J. (1)
Из формулы (1) следует, что баропоток зависит от вязкости жидкости и размеров ее частиц. В случае раствора первыми в материал проникают маловязкие компоненты раствора с высокой проникающей способностью. На следующем этапе пропитки уже с меньшей скоростью диффундируют частицы раствора большего диаметра. На этом этапе пропитки наблюдается самодиффузия, выражаемая законом Фика:
ЗС = -D grad С,
где ЗС - диффузионный поток;
С - концентрация;
D - коэффициент самодиффузии, характеризующий для нашего случая проникающую способность жидкости.
Известно, что частицы жидкости совершают тепловые колебания с некоторой частотой около временных положений равновесия [2], в то время как в кристаллах колебания атомов происходят около постоянных узлов кристаллической решетки. Кроме этих колебаний, частицы время от времени резко
смещаются, совершая скачкообразные перемещения из одного равновесного положения в соседнее. При этом происходит преодоление высоты потенциального барьера за счет так называемого трансляционно -го движения, когда происходит четкая синхронизация движения одновременно нескольких атомов. Второй вид колебаний представляет характерную черту жидкого состояния вещества и может совершаться с отличной от первого вида частотой и соответствовать самодиффузии частиц жидкости. Коэффициент самодиффузии В можно выразить [3] через вязкость г) жидкости, пользуясь известным соотношением Эйнштейна В = кТЪ (где к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; Ъ - подвижность -коэффициент пропорциональности между скоростью V и силой сопротивления Е, действующей на движущийся объект) и формулой Стокса для шара Е = влг/п? (где г - радиус частицы):
кТ
В -. (2)
Из формулы (2) следует, что коэффициент самодиффузии прямо пропорционален температуре Т и обратно пропорционален вязкости ) жидкости и размеру частиц г.
Уравнение самодиффузии для случая пропитки пористых материалов можно переписать в следующем виде [1]:
М(г)=М* <¡1 - ехр
. ,0,8 - 81 ^
- М* <
1 - ехр
/ \0,8 С Т I ^ еот1---
V ) к 0
(3)
где к -положение границы раздела фаз газ-жидкость; ^ - время;
М* - предельное значение массы жидкости в материале.
Как следует из приведенных выше формул (1) и (3), скорость массопереноса определяется вязкостью п пропиточного раствора. Для ускорения пропитки материалов необходимо либо проводить пропитку при высокой температуре, либо увеличить проникающую способность пропиточного состава. Первый вариант ускорения процесса пропитки используется на практике, но он ограничен технико-экономическими соображениями. В настоящее время начали использовать второй вариант интенсификации процесса пропитки пористых материалов [4].
Существует несколько технологических приемов, ускоряющих массоперенос в пористых матери -алах. Так, во многих отраслях строительной индустрии, в частности при пропитке железнодорожных шпал, электротехнической отрасли при пропитке обмоток электрических машин практическое признание нашел вакуумно-нагнетательный метод пропитки (ВНП). Данная технология состоит из нескольких этапов:
- вакуумирование автоклава с пропитываемым материалом с целью удаления воздуха из порового пространства материала;
- заполнение автоклава пропиточным составом;
- создание избыточного давления в автоклаве для увеличения скорости и глубины проникновения раствора в материал. Метод ВНП обеспечивает достаточно быструю и глубокую пропитку широкого класса пористых материалов. Но данный метод пропитки требует достаточно сложного и дорогостоящего оборудования. Высокая себестоимость данной технологии ограничивает широкое и повсеместное ее применение.
Экспериментально доказано и теоретически обосновано наличие структуры у жидкостей [4]. Жидкость, находящаяся в покое, обладает одним значением вязкости, которую мы называем статической. При разрушении структуры вязкость жидкости уменьшается и становится равной динамической вязкости. На рисунке 1 приведены результаты измерения статической и динамической вязкости раствора талловый пек - дизельное топливо [5]. Из приведенного рисунка следует, что статическая и динамическая вязкости данного раствора отличаются в десятки - сотни раз.
На эффекте снижения вязкостей жидкостей при разрушении их структуры основаны ультразвуковые, электромагнитные способы пропитки пористых материалов. Достаточно широко используется ультразвуковой способ пропитки (УЗП) материалов [6], в основном электротехнических изделий. В данном случае с помощью ультразвуковых волн в жидкости создается акустическая кавитация. При схлопыва-нии кавитационных пузырьков у оснований капилляров возникают кумулятивные струи жидкости, создавая перепад давления, что позволяет в соответствии с выражением (1) дополнительно увеличить мас-соперенос в пористом материале.
Но метод УЗП обладает рядом существенных недостатков:
- технология ультразвуковой пропитки пористых материалов - энергоемкий процесс, требующий сложного и дорогостоящего оборудования;
- ультразвуковая аппаратура позволяет получить волны с узким спектром частот, что требует тщательной настройки оборудования на резонансную частоту пропиточного раствора. Данная процедура усложняется тем фактом, что по ходу пропитки смещаются температура и концентрация раствора, тем самым требую подстройку частоты;
- кавитационная область, создаваемая ультразвуковыми излучателями, расположена в непосредственной близости от них (на расстоянии 0,01 - 0,05 м), что позволяет пропитку только малогабаритных пористых материалов.
Указанные выше недостатки и высокая себестоимость технологии снижает практическую востребованность ультразвукового способа пропитки пористых материалов.
п „ с 4
5 3 о
т
т 0
К 2
т
1
0
0 10 20 30 40 50 60 -♦—Сгаг -■- Динам. Концентрация, %
Рис.1. Зависимость вязкостей раствора талловый пек - дизельное топливо от концентрации
6
5
При электромагнитном способе [5] пористое изделие, находящееся в пропиточном составе, размещается между обкладками конденсатора, на которые подаются электрические сигналы резонансной с пропиточным составом частотой. Данный метод технологически удобен для пропитки крупногабаритных материалов, но в настоящий момент он не практикуется из-за низкого кпд пропиточной установки.
Нами разработан гидродинамический способ пропитки пористых материалов [5, 7] - модернизированный вариант ультразвукового и электромагнитного способов пропитки. В данном методе пропитки разрушение структуры жидкости осуществляется с помощью гидродинамического излучателя (ГДИ) [8]. ГДИ имеет вихревую камеру и создает в пропиточном составе пульсирующе-кавитирующий поток. Пульсация потока приводит к разрушению структуры жидкости, а кавитация - к ускорению проникновения раствора в пористый материал. Структурно-логическая схема гидродинамической пропиточной установки представлена на рисунке 2 [8]. Пропитываемый пористый материал 6 помещается в ванну 2 с пропиточным составом 5.
1 2
3
4 5
6 7 8
Рис. 2. Структурно-логическая схема гидродинамической пропиточной установки: 1 - насос; 2 - ванна; 3 - гидродинамический излучатель;4 - струя пропиточного состава; 5 - пропиточный состав; 6 - пористый материал; 7 - система трубопроводов; 8 - подставки
Эффективность гидродинамического способа пропитки нами испытана:
- при пропитке брусков из сосны размером 30-60-150 мм;
- при пропитке обмоток тяговых электрических двигателей (ТЭД) локомотивов.
Испытания эффективности гидротермической технологии пропитки древесины показали, что применение гидродинамических излучателей при пропитке образцов древесины обеспечивает проникновение пропиточного состава в древесину в соответствии с ГОСТ 20022.6-93 [6]. Сравнительные испытания обмоток якорей ТЭД, пропитанных при помощи разных технологий, показали, что качество изоляций обмоток при пропитке гидротермической технологией выше вакуумно-нагнетательного на 10 - 30% [6].
Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности гидродинамической пропитки пористых материалов, а простота и надежность оборудования, низкая себестоимость технологии делает гидродинамический способ пропитки пористых материалов конкурентоспособным.
Библиография
1. Лайдабон Ч.С. Некоторые вопросы массопереноса в строительных материалах// Изв. вузов. Строительство. - 2004. - №1. - С.18-22.
2. Френкель Я.И. Собрание избранных трудов. - Л.: Ленинград. отд-ние Изд-ва АН СССР, 1960. - Т. 3. -
458 с.
3. ГиршфельдерД., Кертисс Ч., Берд. Р. Молекулярная теория газов и жидкостей - М.: ИЛ, 1961. - 564 с.
4. Бадмаев Б.Б., Лайдабон Ч.С., Дерягин В.В. и др. Сдвиговые механические свойства полимерных жидкостей и их растворов// ДАН СССР. - 1992. - Т. 322. - №2. - С. 307-311.
5. Лайдабон Ч.С. О новом способе поверхностной модификации бетонов// Изв. вузов. Строительство. -2004. - №2. - С. 11-14.
6. Лайдабон Ч.С., Асеев В.Л., Ванников В.Ц. и др. Способ пропитки обмоток электрических машин. Авт. свид-во СССР № 1197013.
7. Лайдабон Ч.С., АлексеевЮ.С. О механизме пропитки пористо-капиллярных тел: тез. науч.-практ. конф. // Проблемы химико-лесного комплекса, КГТА. - Красноярск, 1996. - С. 33-34.
8. Лайдабон Ч.С., Лузанов Г.П. Кавитационный генератор / Авт. свид-во СССР № 1508403, приоритет изобретения 8 декабря 1987 г. 5 с.
Bibliography
1. Laydabon Ch.S. Some questions of mass transfer in building materials// Izv.VUZov. Stroitelstvo. - N 1. - 2004. - P. 18-22.
2. Frenkel Ya.I. Selected works. - L.: Leningrad branch of the USSR Academy of Sciences Publishing House, 1960.- Vol. 3. - P. 458.
3. Hirschfelder D., Curtis C., BirdR. Molecular Theory of Gases and Liquids. - M.:IL, 1961. - P. 564.
4. Badmaev B.B., LaydabonCh.S., Deryagin V.V., Bazaron £/.B.,Shearingmechanical propertiesof polymer liquidsand their solutions// DAN USSR. - 1992.- Vol. 322.- N 2.- P. 307-311.
5. Laydabon Ch.S. About the new method of concrete surface modification // Izv.VUZov, Stroitelstvo. - 2004. -N 2.- P. 11-14.
6. Laydabon Ch.S. Аsееv V.L., Vanchikov V.Ts., BаkhаnоvM.V. Impregnation method of electrical machine wind-ings.USSR Certificate of Authorship N 1197013.
7. Laydabon Ch.S., AlexeyevYu.S. About the mechanismof porouscapillarybodies impregnation.Theses oftheoretical and practical conference "Problems of chemical and forestry complex", KGTA. - Krasnoyarsk, 1996. - P. 33-34.
8. LaydabonCh.S., Luzanov G.P. Cavitation generator. USSRCertificate of Authorship N 1508403. -5 р.
