CC BY
21
а б
Рис. 4. График зависимости прочности (а) и плотности (б) образцов от давления прессования и расхода щелочи при времени помола золы 2 часа. Расход щелочи: 1 - 15% от массы золы;
2 -10% от массы золы; 3 -5% от массы золы
происходит, это, вероятно, связано с нехваткой щело- цами вяжущего, что в конечном счете ведет к сниже-чи для обеспечения прочного срастания между части- нию прочности.
Библиографический список
1. Волженский А.В., Буров Ю.С, Виноградов Б.Н., Гладких К.В. Бетоны, изделия из шлаковых и зольных материалов. М.: Стройиздат, 1969. 202 с.
2. Глуховский В.Д. Шлакощелочные бетоны на мелкозернистых заполнителях. Киев: Вища школа, 1981. 224 с.
3. ГОСТ 10180-90 Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.
4. ГОСТ 12730.1-78 Бетоны. Методы определения плотности.
5. Золощелочные вяжущие. Дворкин Л.И. и др. // Цемент. 1991. С. 21-25.
УДК 630.232
МЕХАНИЗМЫ ПОВЫШЕНИЯ ГИДРОФИЛЬНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ СЕЯНЦЕВ ХВОЙНЫХ ПОРОД СТРУЕЙ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО ВОДЯНОГО ПАРА
С.В. Молокова1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приводятся результаты экспериментальных исследований механизмов повышения гидрофильности сеянцев хвойных пород струей переохлажденного водяного пара. Исследуется влияние параметров струи пара на величину краевого угла смачивания. Предварительная обработка поверхности сеянцев хвойных пород струей переохлажденного водяного пара позволяет в 3-25 раз увеличить площадь обработанной поверхности сеянца без увеличения расхода рабочей жидкости. Ил. 6. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: краевой угол смачивания; гидрофильность; поверхностное натяжение; переохлажденный водяной пар.
MECHANISMS TO INCREASE THE SURFACE HYDROPHILITY OF CONIFEROUS SEEDLINGS UNDER THE JET OF SUPERCOOLED WATER VAPOR S.V. Molokova
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The author presents the results of experimental investigations of mechanisms to increase the hydro-phility of coniferous seedlings by the jet of supercooled water vapor. She studies the influence of the vapor jet parameters on the size of the contact angle of wetting. Preliminary treatment of coniferous seedling surface by the jet of supercooled water vapor enables to enlarge the area of seediling treated surface in 3 - 25 times without the increase of the working fluid discharge.
6 figures. 7 sources
Key words: contact angle of wetting; hydrophility; surface tension; supercooled water vapor.
Молокова Светлана Васильевна, кандидат технических наук, доцент кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники, тел.: (3952) 405131, 89646556670, e-mail: svetmol@mail.ru
Molokova Svetlana Vasilievna, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Aircraft Construction and Maintenance, tel.: (3952) 405131, 89646556670, e-mail: svet-mol@mail.ru
В настоящее время в лесном хозяйстве страны основной объём лесных культур (более 80%) создается посадкой. Самой трудоёмкой операцией при выращивании посадочного материала является операция нанесения жидких химических препаратов на поверхность сеянца. Повышение гидрофильности поверхности сеянца позволит увеличить площадь обработанной поверхности и тем самым снизить трудоёмкость операции по нанесению жидких химических препаратов без увеличения расхода рабочей жидкости.
Рассмотрим возможность использования переохлажденного водяного пара для повышения гидрофильности поверхности сеянца Переохлажденный водяной пар - термодинамически неравновесная среда. Процессы конденсации пара, обусловленные термодинамической неравновесностью среды, происходят на любой поверхности раздела фаз и приводят к образованию на ней тонкой плёнки конденсата. В результате жидкость, достигнув обработанной паром поверхности, вступает во взаимодействие не с твёрдой фазой, а с образовавшейся на ней плёнкой конденсата. Это приводит к тому, что удельная площадь контакта капли с обработанной переохлажденным паром поверхностью возрастает в несколько раз [3, 6].
Мерой гидрофильности служит краевой угол между смачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости на периметре смачивания [7].
Наиболее приемлемым методом оценки степени гидрофильности поверхности является метод, базирующийся на использовании явления смачиваемости подложки каплей воды, наносимой на её поверхность [2].
Капля жидкости, растекающаяся по поверхности твёрдой подложки, является особым физическим объектом, форма и структура которого определяются составом жидкости, условиями внешней среды и свойствами поверхности подложки [1].
При неизменных условиях окружающей среды и составе жидкости краевой угол смачивания определяют следующие факторы:
1) размер капли жидкости;
2) действие собственного поверхностного натяжения, сжимающего каплю;
3) действие поверхностного натяжения на границе капля - твёрдая поверхность [7].
Гипотеза: объёмная обработка сеянца хвойных пород струей водяного пара способствует возникновению на его поверхности адсорбированной плёнки конденсата, в результате чего поверхностное натяжение на границе твёрдой и жидкой фазы уменьшается. Капля, в связи с этим, должна растекаться по поверхности обработанного паром сеянца с меньшим краевым углом смачивания, чем по сухой поверхности сеянца.
Исследуем способность струи пара снижать краевой угол смачивания за счёт изменения поверхностного натяжения на границе связи капля - твёрдая поверхность.
Цель экспериментов: оценить эффективность использования струи переохлаждённого водяного пара для повышения гидрофильности поверхности сеянца, определить параметры обработки (расстояние от со-
пла парогенератора и время обработки), а также исходные параметры струи переохлаждённого водяного пара (давление насыщенного пара перед входом в сопло парогенератора).
Методика измерений краевого угла смачивания
В ходе экспериментов на поверхность подготовленного образца наносилась капля дистиллированной воды специально сконструированным дозатором, что позволяло полу-чать капли примерно одинакового размера до 1 мм в диаметре. Полученная капля фотографировалась. Затем снимки экспортировали в систему AutoCad 2008, где проводились измерения краевых углов смачивания.
Результаты экспериментов по исследованию влияния на краевой угол смачивания расстояния между соплом парогенератора и поверхностью сеянца (L) представлены на рис. 1.
140 120 100 80 60 40 20 0
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 L, м
» t=3 c —■—1=5 c
A t=7 c —- —1=0 c
Рис. 1. Зависимость краевого угла смачивания от удаленности от сопла парогенератора
Результаты экспериментов показали, что краевой угол смачивания поверхности сенца, обработанного начальным участком струи пара с удалением от сопла до 0,2 м, приближается к 0°. Значения краевого угла меньше 90° обеспечиваются обработкой сеянцев участком струи с удалением от сопла не более 1 м.
На рис. 2 представлены данные о влиянии времени обработки поверхности сеянца струей переохлаждённого водяного пара на краевой угол смачивания.
60 50 40 30 20 10 0
0,14
0,19 P, мПа
0,24
-t=3c
-t=5c
-t=7c
Рис. 2. Зависимость краевого угла смачивания от времени обработки
Из графика следует, что увеличение времени обработки поверхности сеянца струей водяного пара также оказывает слабое влияние на краевой угол смачивания.
Результаты исследования зависимости краевых углов смачивания от давления торможения (при удалении от сопла 0,5 м), приведены на рис. 3.
о ^
го
ГО ш
т го
с; о
140 120 100 80 60 40 20
время обработки, с
о ш <и го
—Ш • |_=0,2 м _-■■*■- 1_=0,5 м_
Рис. 3. Зависимость краевых углов смачивания от давления
Полученные данные свидетельствуют о слабом влиянии исходных параметров пара на динамику изменения краевых углов смачивания.
Таким образом, наиболее существенное влияние на динамику изменения краевого угла смачивания оказывает расстояние от сопла парогенератора, влияние времени обработки и исходных параметров водяного пара менее существенно.
Механизмы повышения гидрофильности поверхности сеянцев
Рассмотрим возможные механизмы повышения гидрофильности поверхности сеянцев в результате обработки струей переохлажденного водяного пара.
В соответствии с [1, 2, 7] величина краевого угла смачивания зависит от следующих факторов
1) размера капли жидкости;
2) действия собственного поверхностного натяжения, сжимающего каплю;
3) действия поверхностного натяжения на границе капля - твердая поверхность.
Влияние первых двух факторов можно исключить из рассмотрения, так как во всех сериях использовался один и тот же состав смачивающей жидкости, кроме того методика проведения экспериментов обеспечивала единые условия нанесения капель примерно одинакового размера. Следовательно, наиболее вероятным фактором, влияющим на краевой угол смачивания, является изменение свойств поверхности сеянца.
Энергетические процессы, способствующие изменению свойств поверхности сеянца и приводящие к снижению краевого угла смачивания - это процессы:
- преобразования кинетической энергии потока в энергию активизации спаренных молекулярных связей и ведущие к разрушению молекулярной пленки возду-
ха на поверхности сеянца по схеме, предложенной в [5];
- преобразования энергии, выделяющейся при неравновесной конденсации пара на сухой твёрдой поверхности сеянца, в энергию поверхностного натяжения.
С удалением от сопла парогенератора происходит увеличение краевого угла смачивания, при этом кинетическая энергия потока струи пара убывает, и интенсивность процессов конденсации снижается.
Данные экспериментов свидетельствуют о том, что давление торможения потока (и, как следствие, скорости истечения пара) оказывает слабое влияние на краевой угол смачивания. Таким образом, основным фактором снижения краевого угла смачивания является, в первую очередь, неравновесная конденсация пара на поверхности сеянца.
Преобразование энергии неравновесной конденсации в энергию активации спаренных молекулярных связей приводит к совершению работы по замещению адсорбированной молекулярной плёнки воздуха на поверхности сеянца первичной плёнкой конденсата. Последующая конденсация переохлаждённого пара происходит не на поверхности твёрдой фазы, а на адсорбированной плёнке жидкости. Капля рабочей жидкости, в связи с этим, растекается по поверхности обработанного в струе пара сеянца с меньшим краевым углом смачивания, чем по абсолютно сухой поверхности.
Следовательно, струя переохлаждённого водяного пара выступает в качестве регулятора межфазных свойств и способствует повышению степени гидро-фильности поверхности сеянцев. Приведённые результаты указывают на эффективность предварительной обработки поверхности сеянца переохлаждённым водяным паром перед нанесением химических препаратов.
Оценка эффективности предварительной обработки сеянцев струей переохлажденного водяного пара
Для оценки эффективности введём понятие условной толщины капли (Н) как отношение объёма капли (V ) к площади её контакта с поверхностью сеянца (£ ) и радиусу исходной капли (Я0):
V
Н =
£ • я
(1)
При этом будем предполагать, что:
1) поверхность контакта капли с поверхностью сеянца плоская;
2) свободная поверхность капли является шаровым сегментом;
3) при нанесении на поверхность объём капли не изменяется.
Используя известные геометрические соотношения, можно получить выражение для условной толщины капли в зависимости от краевого угла смачивания (в):
0
7
о
н =
1 - со$(6) 6
3 +
(1 - С0А'(6})
(т(6 ))
2 Л
(2)
х 3-
4
(1 - со,^(6}) -(2 + со,^(в})
Полученная зависимость приведена на рис. 4. Отметим, что при краевых углах более 100° условная толщина капли превышает её исходный радиус.
Рис. 4. Зависимость условной толщины капли от краевых углов смачивания
бразим на рис. 5, при этом отметим, что величина условной толщины капли на сухих образцах составляет 2.073.
Для количественной оценки вероятной экономии химических препаратов введём переменную, равную отношению условной толщины капли на контрольном образце к условной толщине на обработанном образце. Введённая переменная показывает, во сколько раз площадь контакта капли на обработанной поверхности больше площади контакта на контрольной.
Результаты отображены на рис. 6, где Э3, Э5 и Э7 - эффективность при экспозициях 3, 5 и 7 с соответственно.
Представленные данные свидетельствуют о том, что после обработки поверхности сеянца струей переохлажденного водяного пара удельная толщина капли в 3-25 раз меньше аналогичного параметра контрольных образцов.
Таким образом, переохлаждённый водяной пар может использоваться как эффективное средство, снижающее трудоёмкость операции нанесения химических препаратов при выращивании посадочного материала.
13
ч
в и
13
а
0.2
0.4 0.6 0.8
Расстояние от сопла парогенератора, м
Рис. 5. Условная толщина капли в зависимости от удаления от сопла парогенератора
На основании вышеизложенного можно заключить:
1. Струя переохлаждённого водяного пара выступает в качестве регулятора межфазных свойств и способствует повышению степени гидрофильности поверхности элементов сенцев хвойных пород.
2. Основным механизмом снижения краевого угла смачивания является преобразование энергии, выделяющейся при конденсации переохлаждённого водяного пара в энергию активации спаренных молекулярных связей и в работу по замещению адсорбированной плёнки воздуха на поверхности сеянца, адсорбированной плёнкой конденсата.
3. Предварительная обработка поверхности сеянцев хвойных пород струей переохлаждённого водяного пара позволяет в 3-25 раз увеличить площадь обработанной поверхности сеянца без увеличения расхода рабочей жидкости.
\ \
\'Л
V15 \.,\
10\\ \ ---
Рис. 6. Отношение удельной толщины капли на контрольных образцах к удельной толщине на образцах, обработанных в струе переохлажденного пара
Используя данные, приведённые на рис. 4, определим условную толщину капли в зависимости от удаления от сопла парогенератора. Результаты ото-
50
100
150
1. Невзоров В.Н., Бырдин П.В., Дырдин С.Н. Энергосберегающая технология и оборудование для обработки лесных сеянцев. [Электронный ресурс] Режим доступа: http://science-bsea.narod.ru/
2. Сумм Б. Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия, 1976. 232 с.
3. Бородин С. А. Исследование процесса растекания капли жидкости, наносимой на поверхность подложки // Коллоидный журнал. 2003. № 45. С. 156-158.
4. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. 568 с.
ский список
5. Зенгуил Э. Физика поверхности. М.: Мир, 1990. 537с.
6. Руденко М.Г., Гришин А.М., Молокова С.В. Изменение смачиваемости поверхности при её контакте с переохлаждённым водяным паром // Экологические системы и приборы. 2008. № 7. С. 44-49.
7. Руденко М.Г., Молокова С. В. Изменение гидрофильности поверхности под воздействием переохлажденного водяного пара // Сопряжённые задачи механики, информатики и экологии: материалы междунар. конф. (25-28 июня 2007 г.). Томск, 2007. С. 246-247.
УДК 622.734:622.76
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЛАМИНАРИЗИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ВЗВЕСЕЙ
В.В. Надршин1, В.В. Мельников2, И .А. Огнев3, А.Н. Роговой4
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Представлен анализ основных зависимостей гидравлического расчёта движения гидросмесей в желобах. Выяснено, что для улавливания более мелкодисперсных компонентов необходимо перевести турбулентный режим течения гидросмеси в псевдоламинарный. Представлен метод ламинаризации режима движения гидросмеси установкой плоскопараллельных пластин вдоль потока. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: режимы движения жидкостей; обогащение полезных ископаемых.
STUDY AND CALCULATION OF LAMINARIZING ELEMENTS OF LIQUIDS AND SUSPENSIONS FLOW V. V. Nadrshin, V. V. Melnikov, I. A. Ognev, A. N. Rogovoy
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article presents the analysis of the major dependencies of hydraulic calculation of hydromixture motion in chutes. It is found out that, to capture more fine-dispersed components it is necessary to convert the turbulent mode of hydromixture flow into pseudolaminar one. The authors present a method to laminar the hydromixture motion regime by placing plane-parallel plates along the stream. 1 figure. 1 table. 3 sources.
Keywords: motion regimes of fluids; mineral processing.
Для обеспечения условий и увеличения степени извлечения примесей необходимо при повышенных скоростях взвесенесущих потоков по гладким шлюзам обеспечить псевдоламинарный режим движения. Одним из методов обеспечения этого режима является установление успокоительных пластин, но при этом требуется рассчитать расстояние между пластинами. Этому вопросу посвящены ниже описанные исследования.
Зависимость коэффициента сопротивления частицы от числа Рейнольдса имеет сложный вид. В первом приближении она может быть описана формулой 24 I-
сд = Те + °'67уСД
или
(
СД = 0,112
1+. 1+
214
Л2
, которая действительна
при Re < 10 . При малых числах Рейнольдса 24
С Д = —, при очень больших числах Рейнольдса н Яе
Сд*0,45 [1].
Скорость равномерного падения частицы в покоящейся жидкости или её гидравлическая крупность определяется из формулы
w =
d( pTB -Рж )
СД Рж
1Надршин Владимир Вагизович, доцент кафедры мировой экономики, тел.: 585313, e-mail: nadrshin@istu.edu
Nadrshin Vladimir Vagizovich, Associate Professor of the chair of International Economy, tel.: 585313, e-mail: nadrshin@istu.edu
2Мельников Василий Викторович, аспирант, e-mail: mvv999@mail.ru
Melnikov Vasily Viktorovich, postgraduate student, e-mail: mvv999@mail.ru
3Огнев Игорь Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры математики.
Ognev Igor Anatolievich, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the chair of Mathematics.
4Роговой Александр Николаевич, аспирант, e-mail: bwc9501197713@rambler.ru
Rogovoy Alexander, postgraduate student, e-mail: bwc9501197713@rambler.ru
