Взаимосвязь структурообразования с плотностью жидкости коллоидных капиллярно-пористых тел при сушке Текст научной статьи по специальности «Физика»

© А.Е, Афанасьев, А.С. Ефремов, 2010

УДК. 544.576: 532.14

А.Е. Афанасьев, А.С. Ефремов

ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ С ПЛОТНОСТЬЮ ЖИДКОСТИ КОЛЛОИДНЫХ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ ТЕЛ ПРИ СУШКЕ

Разработан метод расчета и получены впервые значения плотности рж жидкости при сушке торфа различной дисперсности и температуры Т, отличающиеся от табличных ро значений, для соответствующих периодов ^=1,2) структурообразования, рж = (0,92-1,32)103 кг / м3 ^=1,2). Установлено, что меньшие значения (рж<ро) наблюдаются для переработанного и слабо переработанного торфа. Большие значения (рж > ро) относятся к интенсивно переработанному торфу, зависимость рж=/(Т) проходит через максимум при Тж= 308-313 К. При Тн>343К (граница проявления водородных связей) обе кривых рж=/(Т) сливаются в одну, определяя преимущественное взаимодействие между элементами структуры, влажных торфяных тел, через молекулярные связи Ван-дер-Ваальса.

Ключевые слова: торф, плотность жидкости, структурообразование, прочность, концентрация жидкости.

Семинар № 14

~ИЪ настоящее время отсутствуют методы измерения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тор-фяных тел из-за сложности учета особенностей взаимодействия дискретных молекул с твердой фазой влажных твердых тел. Кроме того, сорбированная жидкость образует единый комплекс с твердой фазой с измененной физической структурой и повышенной энергией связи от 40 - 400 кДж/моль (химически связанная вода) до 1,0кДж/моль (вода механического удерживания), которая растет с понижением влагосодержания тел. Поэтому среднюю плотность связанной жидкости р ж необходимо знать для повышения точности оценки физикотехнических характеристик коллоидных и капиллярно-пористых тел, где обычно используют плотность р0 свободной воды, а так же по управлению качеством продукции при оценке сорбционно-

фильтрационных процессов при сушке и переработке торфа и др. материалов с подобной структурой. В основу настоящей статьи положена задача разработки способа определения плотности жидкости в коллоидных и капиллярнопористых телах с учетом изменения температуры влажных материалов для различных условий структурообразования при их сушке.

В работах [1, 2] дано обобщение и разработан подход к оценке, управлению и прогнозированию качественных характеристик продукции на основе торфа, сапропеля, глин и их композиций и др. коллоидных и капиллярнопористых материалов в процессе высушивания.

В качестве обобщенного критерия оценки качества формованной продукции использовалось понятие прочности R1 твердых тел (на сжатие).

В частности, показано, что R1 =f(W, Т) выражается зависимостью

(E -aW Л В полулогарифмических координа-

Ri = ROT exp [ o R._ 1 I, (1) ( — ^

V 1 тах уравнения: ln RI = f(W), ln RI = f —

где ROT — начальная прочность струк- Vу п.

I выражаются двумя прямолинейными

туры тела, ту , при энергии активации участками (периодами) с точкой переги-

E(W)=Eo — aWi процесса разрушения, ба при Wi=Wc, (-11= (-1 с с соответ-

Ас I уn J I уn J

; E(W)^0, т. е. когда энергия раз- nJ nJ

1 1 ёи ствующими угловыми коэффициентами:

рушения aWI, из-за влияния влагосо- dLnR dLnR .

ёт Xi = ~dW~, Хсі = то; i= 1,2 — пе-

держания W,--------, стремится к потен- avvi ^

ёа(п) и

циальной энергии Ео взаимодействия

*

между элементами системы; R — уни-

А&

Vус і

риоды структурообразования.

Схемы графических зависимостей,

версальная газовая постоянная, , д „ ; подтверждающие эти предпосылки, по-

1 Ї ёиЕ казаны на примерах, рис. 1. а, б, а коэф-

Т К. фициенты XI и Хс1 — в табл. 1.

Уравнение (1) можно упростить и Причем, при Т=343К имеет место толь-представить в виде: ко один период структурообразования

( ^ Л (1=1), что обусловлено проявлением сил

Ri = Rcwexp

-X-!-у

c

RQWexp

преимущественно одной природы (связи Ван-дер-Ваальса). При Т<343К прояв/ 1 л ляются, в основном, связи Ван-дер-

-X — , (2) ёА&

с ус I Ваальса с энергией Е=(8-13,6)

і і ёи

где С1 = уcW (3) (i=1) и водородные Н-связи с Е=(11,9-

ёА ос

характеризует концентрацию влаги, 22,0)_______________ (1=2) [2. С.136].

ёа(а) „ 11 ёи

І з ; Хсі = XiCi приведенн^ій коэф- Так как (XI, Xci) = const (i=1,2), то из вы-

ёа/-) ражения

фициент структурообразования , 3 ; Xa = XiQ (4)

1 следует, что CI = const. Эта особенность

X — коэффициент упрочнения структу- позволяет утверждать, что постоянным

1 при убыли влаги за счет сушки может

ры^ ёа(а) / ёа(Я); быть только характеристика жидкости,

д т. е. ее плотность CI = рж. Следователь-

RoW = Roi-exp —*— — максимальная но, из уравнения (4) следует выражение

R T для оценки

прочность структуры материала, -fy. рж = hd, (5)

1 Xi ’

учитывающее особенности изменения плотности жидкости в зависимости от

Таблица 1

Угловые коэффициенты зависимостей (1) и (2)

Период, і Коэффициенты Температура, К

293 303 323 343

1 А.1 0,95 1,22 1,09* 1,63

2 ^2 2,73 1,78 1,60 1,63

1 ХС1-10—3 1,02 1,41 1,23* 1,75

2 хс2-10-3 3,17 2,35 2,06 1,75

1 Р1-10-3 1,08 1,16 1,13* 1,07

2 Р2-10-3 1,16 1,32 1,29 1,07

* — экстраполированные значения

коэффициентов структурообразования А,с1. Последние отражают условия структурообразования от дисперсности So и влагосодержания W, плотности твердой фазы ус, пористости п, температуры Т и энергии взаимодействия Е(W) между элементами структуры через молекулы жидкости с различной энергией активации к процессам сорбции (десорбции).

В качестве коллоидного капиллярно-пористого тела брали пушициево-сфагновый торф со степенью разложения RT = 20 - 25% переработанный один раз в шнековом устройстве. Формовали методом экструзии цилиндрические куски с начальным диаметром бн = 40 И и длиной I = 50II , взвешивали на лабораторных весах с погрешностью до 0,1 грамма, определяли объем

V каждого из кусков и сушили по 8 образцов. Сушка велась в сушильном термостате от начального

Щ = 5.3 - 4.5 — до равновесного вла-ёа

госодержания I Щ, = 0.14 - 0.33 — I при

I ёа)

температуре 1-Т=243, 2-Т=303, 3-Т=333, 4-Т=343К при относительной влажности воздуха ф = (50 - 60)%. В процессе сушки на лабораторном прессе определя-

Р Н -

ли прочность р, Ту , на сжатие средней

части образцов длинной

I = (1.0 -1.5) • , (1- означает текущее

значение параметра) делением разрушающей нагрузки на сечение образца через интервал влагосодержания

Щ =(0.2 -0.5) —.

ёа

Далее рассчитывали плотность ёа

уп вещества, -ту по формуле

У п =

где тс — масса сухого вещества во влажном торфе, которую определяли по формуле

т,

т =-------—, где т,, Щ - соответст-

с 1 + Щ ' '

венно, начальные значения массы и влагосодержания образца;

Ц - текущее значение объема образца,

I 3. Затем находили обратные значения 1

плотности — сухого вещества и строили

У с

графические зависимости логарифма прочности р. в функции влагосодержания W, 1п р. = f (Щ) (рис. 1. а, б).

Ці Р? [.п Р?

Рис. 1. а, б — схемы изменения логарифма прочности ^ формованного торфа в зависимоти от влагосодержания W и обратной 1

плотности — сухого вещества У с

при температуре Т < 343К (а) и Т > 343К (б); i=1,2 — периоды структурообразования

Далее определяли угловые коэффициенты линейных участков первого (1=1)

к =

ДІП Я

Д

Д 1п Я

и второго (і=2)

АІп К, , X

ДО

Д 1п Я

~шГ

периодов структурообразования, где Д ІП р , ДІП р — перепады логарифма прочности, соответственно, в первом и втором периодах структурообразования;

Д

У с

I, ДМ' — перепады

V I с У

обратной плотности сухого вещества и влагосодержания в первом (1=1) и втором (1=2) периодах структурообразования. По формуле (5) находили отношение этих коэффициентов, определяющих, соответственно, среднюю плотность рш связанной жидкости в первом (1=1)

а

У

Pi =

Кя1_

К

и втором (i=2)

P 2 =■

К

периодах структурообразования при соответствующей температуре сушки торфа. Для других значений Т опыт повторяли аналогично. Строили графики зависимости плотности жидкости р от температуры Т для каждого из периодов структурообразо-вания (рис. 2).

Анализ полученных данных (рис.2) показывает, что рж = Д(Т) проходит через максимум для обоих периодов структурообразования (1=1,2). Причем, для 1=1

з з еа

Рж = 1,16103, а для 1=2, Рж = 1,32-103 —

I

при Тт = (308-313)К. Повышение рж с ростом Т1 (при Т1<Тт) обусловлено возрастанием ее дефектности (неоднородности [1]) под действием капиллярно-осмотических сил, что повышает возможность взаимодействия молекул жидкости с функциональными группами (СООН, ОН) твердой фазы с образованием Н-связей еще в первом периоде структурообразования [1, С.9]. Это утверждение было доказано в [1, 2] по изменению энергии активации Е(^) процесса разрушения. Во втором периоде (1=2) число водородных связей возрастает, а связей Ван-дер-Ваальса уменьшается, что и определяет деление процесса структурообразования на два периода, разделенных точкой перегиба

Wi=WC;

(рис. 1 а) и воз-

яя растанием рж (при Т = const). Уменьшение значений Т (Ti<Tm) приводит к росту связей Ван-дер-Ваальса, снижению плотности жидкости (рис.

3 еа

2) до рж = 0,92-10 -г- (экстраполя-

I

ция графиков) несмотря на повышение плотности свободной воды до р0 3 еа

= 1-10 —г при Тс = 277,14 К (график I

1). Причем, последняя Т понижает плотность и при охлаждении (Т1<Тс), а при замерзании она падает скачкообразно [3].

При дальнейшем повышении температуры (Т1>Тт) число Н-связей, взаимодействующих с центрами сорбции, уменьшается и при Тн = 343К водородные связи пропадают, что согласуется с данными рис. 1, б (исчезает второй период структурообразования) и работами [2,4]. После чего графики сливаются в один (график 3'). Дальнейшее повышение Т1 определяет удаление жидкости при сушке с пониженной, по сравнению с Н-связями, энергией (связи Ван-дер-Ваальса).

Следовательно, при Т= 273... 343К преобладают оба вида связей, проявляющиеся неодинаково в обоих периодах структурообразования из-за изменения подвижности структуры материала и числа водородных связей. Надо полагать, что переход зависимости рж = Д(Т) через р0 (график 2) будет обусловлен соотношением числа и энергией молекулярных связей с твердой фазой и подвижностью молекул воды, т. е. при Т1>383К (график 3 ). После чего рж в пористых материалах будет стремиться к плотности свободной воды при разных Т;.

Рис. 2. Зависимость плотности жидкости от температуры сушки торфа: 1 - р = f(T), табличные значения;

2 - р0 = 1 • 103 ^ при Т=277.14; ( 1,2

— свободная вода); 3,4 — соответственно = ^(7") для первого и второго периодов структурообразования торфа,, 3' - рж = Г(Т) при Т. > 343 К

313

В случае использования для расчетов р * формулы (3) при допущении, что I* = р* (черные точки на графике 3. рис.

2) значение плотности р* соответствует первому периоду в отличие от использования формулы (5), которая учитывает особенности структурооб-разования в обоих периодах.

Таким образом, максимумы плот-

3 3 еа

ности рж = 1,16-10 и рж = 1,32-10 —-

I

(1=1,2) обусловлены подвижностью структуры с ростом Т, обеспечивающей проникновение ассоциатов воды к центрам сорбции твердой фазы с организацией водородных связей и с последующим их разрушением при повышении температуры до Тн = 343К. При Т1>Тн в торфяной системе преобладают молекулярные связи.

В этой связи, для рассмотренных условий структурообразования, интервал изменения плотности жидко-

еа

сти составил (0,92 -1,32) -103—-,

I

который находится в соответствии с данными для глин: рж = (0,9-2,4)103 еа

—г- [5]. Причем для прочно-связан-

I 3 еа

ной воды рж = (1,2-2,4)10 ——, что

I

соответствует нашим данным для второго периода структурообразования торфяных систем с физикохимической формой связи влаги [1,

2, 6].

На основании изложенного можно отметить, что процессы

структурообразования при сушке коллоидных капиллярно-пористых тел, относятся к единой термодинамической системе и находятся во взаимодействии на различных стадиях процесса сушки. Поэтому оценка прочности Ri тел в зависимости от влагосодержания W и обратной

вещества

плотности сухого

позволили разработать

Я = f

с

способ, и средней

установить изменение плотности жидкости р * = f (Т), которые ранее были неизвестны, для торфяных и других материалов с подобной структурой.

Способ может быть использован в технологических процессах управления качеством продукции при сушке и переработке коллоидных и капиллярно-пористых тел с позиции изменения их сорбционно-фильтрационных свойств, например, при определении истинной (однофазной) плотности влажного торфа, при пересчете линейной скорости испарения (м/с) на интенсивность испарения (кг/1 2 - С) влаги из коллоидных и капиллярно-пористых тел, при определении плотности продукции из торфа и других материалов; при оценке пористости, влагогазонасыщенности, высоты поднятия жидкости в капиллярно-пористом теле, при вычислении капиллярной постоянной и капиллярного потенциала, усадки и других физико-технических характеристик [1,6], где обычно используется плотность р0 свободной воды.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Афанасьев А.Е. Структурообразование

коллоидных и капиллярно-пористых тел при сушке: МОНОГРАФИЯ/ А.Е. Афанасьев.

Тверь: ТГТУ, 2003.

2. Афанасьев А.Е. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства/А.Е. Афанасьев, Н.В. Чураев. М.: Недра, 1992.

3. Горная энциклопедия/Гл. ред. Е.А. Козловский. М.: Сов. Энциклопедия. Т.1, 1984.

— Коротко об авторах ------------------------------------------------------------------

Афанасьев А.Е. —. доктор технических наук, профессор, Тверской государственный технический университет, е-таП: peatpro@gma1l.com;

Ефремов А. С, — студент факультета АС Тверского государственного технического университета, е-таП: peatpro@gma1l.com;

А

-------------------------------------------------------- ОТДЕЛЬНАЯ СТАТЬЯ

ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ

ПРЕПРИНТ

Певзнер Л.Д., доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой АТ Костиков В.Г., доктор технических наук, профессор, кафедра АТ Шахнов В.А., доктор технических наук, профессор Костиков Р.В., ведущий специалист Авалиани Г.М., студент 4 курса кафедры АТ Московский государственный горный университет

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ В РАДИОПРИЁМНЫХ УСТРОЙСТВАХ

— 2010. — № 4. — 40 с.— М.: Издательство «Г орная книга»

Обобщены различные виды нелинейных шумов, возникающих в радиоэлектронной аппаратуре. Описаны процессы блокирования радиоприемника внеполосной помехой, схемотехнические решения для подавления контактных помех под рабочим напряжением, а также влияние помех на интенсивность и скорость передачи информации. Рассматриваются структурные схемы снижения помех с использованием разделительного трансформатора, различные схемы повышения помехоустойчивости и защиты с применением запоминающих конденсаторов.

PevznerL.D., Kostikov V.G., Shahnov V.A., KostikovR.V., Avaliani G.M.,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru

Various kinds of the nonlinear noise arising in radio-electronic equipment are generalized. Processes of blocking of a radio receiver by an extrastrip hindrance, circuitry decisions for suppression of contact hindrances under working pressure, and also influence of hindrances on intensity and speed of a communication of information are described. Block diagrams of decrease in hindrances with use of the dividing transformer, various schemes of increase of a noise stability and protection with application of remembering condensers are considered

4. Дерягин Б.В. Поверхностные силы/ Б.В. Дерягин, Н.В. Чураев, В.М. Муллер. М.: Наука, 1985.

5. Российская угольная энциклопедия. В

3 т. Т.1 (А-И). М. — СПб.: Изд-во СПб картографической фабрики ВСЕГЕИ, 2004.

6. Лиштван И.И. Физика и химия тор-фа/И.И. Лиштван, Е.Т. Базин, Н.И. Гамаюнов, А.А. Терентьев. М.: Недра, 1989. нш=1