Основи фізики

Від щільності тканин суттєво залежать їхня повна вологоємність, кількість вологи між нитками, об'єм макропор. Для віскозних тканин зниження По (або П_у) приводить до збільшення повної вологоємності Wn у зв'язку з ростом об'єму макропор. Для вовняних тканин зі зміною П_у до 150 не змінює величину Wn. Спостережувані відмінності в характері впливу щільності не вологість віскозних і вовняних тканин обумовлені, по всій видимості як відмінностями в сумарній щільності (лінійнім заповненні) досліджених тканин і пов'язаними з ними розмірами міжнитевих і міжволокняних пор, так і відмінностями в зміні товщини тканин при зміні П_у й По. Товщина віскозних тканин при зміні щільності (у досліджуваних межах) практично не мінялася, а товщина вовняних тканин при збільшенні П_у від 70 до 110 також збільшилася приблизно на 30%, що й привело до підвищення об'єму макропор і, отже, вологоємності тканин.

Дослідження вологообмінних властивостей тканин з натуральної сировини показали, що найбільшої гідрофільністью, об'ємом мікропор і питомою поверхнею мають тканини з натурального шовку й вовняних волокон. Відповідні характеристики лляних і бавовняних тканин в 1, 5-2 рази нижче.

Аналіз вологообмінних властивостей тканин з хімічних ниток показує, що крім розглянутих раніше віскозних тканин, великий гігроскопічністю й розвиненою питомою поверхнею має туленовая тканина. Сорбционные властивості туленового волокна навіть вище, чим у натурального. Найменші показники вологообмінних характеристик мають фторлоновая й склотканина, середні й приблизно однакові показники мають поліамідні і триацетатна тканини.

Таким чином, дослідження вологообмінних властивостей, проведених на грушах тканин однорідного і неоднорідного волокнистої сполуки показали, що такі характеристики тканин як гігроскопічність, кількість адсорбованої вологи полі- і моношару, об'єми мікропор, питома поверхня залежать від властивостей волокнистої сполуки ниток. Разом з тим на ці характеристики, тканин можуть значно впливати процеси заключної обробки текстильних матеріалів. У табл. 27.3 наведені вологообмінні властивості трьох груп тканин: I - вовняних, II -бавовняних і III - віскозних. Тканини в кожній групі мають однакова волокниста сполука ниток, але різняться по призначенню, технологічних параметрах, заключному етапі обробки або через обробку. Для порівняння в цій же табл. 27.3 наведені дані, отримані за допомогою гігротермічної камери. Як видне, у межах однієї групи вологообмінні властивості тканин можуть змінюватися досить значно (в 1,2+1, 5 рази). Так, наприклад, у результаті обробки хімічними препаратами й полімеризації погіршуються майже всі вологообмінні властивості бавовняної й віскозної тканини. Гігроскопічність, кількість адсорбованої вологи, величина плетельної вовняної тканини (арт.11174) значно вище, чим відповідні характеристики костюмної вовняної тканини (арт.1389). Це пов'язане з тим, що при обробці текстильних матеріалів, що містять гігрофільні волокна, гідрофобні хімічні препарати в основному концентруються в гідрофільних волокнах, знижуючи їх здатність поглинати вологу у вигляді пари й рідини

Вологообмінні властивості текстильних матеріалів залежить також від параметрів процесу сушіння й кількості циклів зволоження - сушіння або нагрівання - охолодження. За перші 3-4 циклу об'єм макропор віскозних ниток у результаті усадки поменшався майже у два рази (табл.27.3), а об'єм мікропор - в 1, 4 рази, що приводить до відповідного до зменшення вологоємності й гігроскопічності ниток.

Отже, відмінності в гігроскопічних властивості й характеристиках мікропорової структури тканин можуть бути викликано двома причинами: різними волокнистою сполукою й передісторією - технологією обробки тканин на заключних етапах оздоблювального виробництва або умовами експлуатації.

23. Моделювання процесів тепломасопереносу

Аналітичні рішення рівнянь, що описують процеси тепломасопереносу з колоїдних розчинів у капілярно-пористі, колоїдні тіла, зв'язане зі значними труднощами; часто задається одержати рішення тільки для граничних випадків. Тому надається досить доцільним при вивченні цих процесів поряд з аналітичними дослідженнями застосовувати методи фізичного й математичного моделювання. Спільне використання таких методів моделювання дає можливість одержувати нестаціонарні - поля температур і концентрацій, а -також досліджувати кінетику тепломасопереносу в тілах довільної форми. У цей час значне поширення одержали електроаналогові методи, засновані на тотожності математичних моделей процесів теплопровідності, дифузії й інших процесів електропровідності.

Дійсно, рівняння електропровідності має вигляд

(28.1)

рівняння дифузії

(28.2)

рівняння електропровідності

(28.3)

У приведених рівняннях

T (x, y, z, t) - функція температур, ДО; - питома теплоємність, Дж/кг; л - коефіцієнт теплопровідності, Вт/м; г - щільність,кг/м³;

Дк/ кгг до; X - коефіцієнт теплопровідності, Вт/ м- до; - інтенсивність внутрішніх джерел (стоків), Вт/м³; - функція концентрації компонента розчину, кг/м³; D - коефіцієнт дифузії, м²/з; j_о - інтенсивність внутрішніх джерел (стоків кг/м³ с; и(х, у_, z, ф) - функція розподілу потенціалів, В; R - питоме електричне опір, Oм?м;, с_е - електроємність, Ф; - інтенсивність внутрішніх джерел (стоків), А/м³.

Формальна тотожність рівнянь теплопровідності, дифузії й електропровідності дає можливість вивчити на електричній Rc -моделі з розподіленими параметрами процеси теплопровідності й дифузії у двомірній координатному представленні, якщо забезпечені наступні умови моделювання.

24. Дослідження потенціалів переносу в тілах довільної форми методом електромоделювання

Залежності відносно концентрації стерпного речовини від числа Фур'є досліджувалися методом електроаналогії для волокон довільної форми поперечного переріза в ізометрично й не ізотермічно в умовах при постійній концентрації на поверхні волокна, тобто при граничних умовах I. Дослідження проводилися на електропровідному папері за допомогою електроінтегратора ЕІМП - 3/6.

З електропровідного паперу в певному масштабі виготовлялись моделі зрізів досліджуваних волокон. Підложка виготовлялася з низькоомної паперу. Між підложкою і основною моделлю містилася діелектрична плівка.

Число Фур'є для реального процесу

А для моделі де - характерні розміри на натуральному зразку й на моделі, м; , - час установлення концентрації в даній точці натурального зразка й потенціалу, що відповідає даній концентрації, на моделі, з; D - коефіцієнт дифузії барвника, м²/з; с - питома електроємність моделі, Ф/м² ; R - опір квадратів електропровідного паперу, .

Одержавши графік для даної точки, по відомій концентрації барвника в даній точці зрізу волокна в певний момент часу можна визначити гаданий коефіцієнт дифузії барвника.

На цьому принципі заснована розроблена нами методика визначення коефіцієнтів дифузії у волокнах довільної форми, відповідно до якої виготовляються мікрозрізи пофарбованих волокон, потім ці мікрозрізи фотографуються. Надалі проектують контури мікрозрізу на електропровідний папір і виготовляють модель волокна. Паралельно мікрофотометрирують сам мікрозріз по певному перетину й визначають концентрацію барвника в певних крапках перетину. Потім по цьому ж перетину моделі визначають для тих же точок .

За відомим значенням с за допомогою графіка визначають число, а потім і . Дослідження проведені на моделях різних поліефірних, триацетатних, поліамідних, ацетатних, бавовняних і ін.. волокон.

Як приклад на мал.29.1 наведена модель У триацетатного волокна й криві для деяких крапок перетину моделі В (29.2).

Опір квадратів паперу для моделі рівно 490 кому. Питома електроємність волокна становила 3,58? 10-7Ф/м².

Залежність визначалася для різних крапок моделі. У нашому прикладі дана залежність перебувала для шести крапок моделі уздовж максимального лінійного розміру перетину. Максимальний лінійний розмір волокна, уздовж якого розташовувалися досліджувані крапки, становив 41?10-6м. на моделі цей розмір відповідно становив 0,41м.

Для розробки методики моделювання процесів неізотермічної дифузії на електричних моделях необхідно здійснювати перехід від натурних фізичних процесів до модельних.

Розглянемо нестаціонарний процес нелінійної дифузії у двомірній області довільної форми, який описується наступної крайовим завданням:

,

де,З - концентрація речовин; - коефіцієнт дифузії, який у загальному випадку залежить від розподілу температури в речовині, а отже, від координат x, y; при x, y, Ey і .

У загальному випадку рішення рівняння нелінійної дифузії й моделювання цього процесу досить складний. Однак у випадку тонких тіл, якими є волокно й нитку, завдання можна суттєво спростити. Як показали аналітичні дослідження й результати моделювання температурних полів час температурної релаксації по перетину волокна й нитки становить частки секунди. Дифузійний процес триває значно довше. Тому волокно й нитка можна представити як тіла з рівної по перетину температурою, обумовленої з умов зовнішнього теплообміну. У випадку конвективного нагрівання тканини температура матеріалу визначається згідно по вираженню. Розбивши час зміни температури матеріалу й дифузійного процесу на n й прийнявши на кожному відрізку й, моделюємо це питання.

У якості прикладів представлені результати визначення методом електромоделювання концентрацій барвника в точці 2 волокна моделі В, для яких при ізотермічному режимі були знайдені залежності, а потім визначені гадані коефіцієнти дифузії барвника. Дослідження проводили для наступних вихідних даних Т = 433 ДО; =34,8; 58,2; 116,1Вт/м²?К; з = 1379 Дж/кг?К; = 1400кг/м³; =10-4. Залежність гаданого коефіцієнта дифузії по волокну від температури матеріалу в межах деякого температурного інтервалу наступна:

,

Проведені нами дослідження дозволяють рекомендувати для триацетатних волокон такі значення постійних У и :

Визначаємо для кожного температурного відрізка й знаючи й,

Потім по відомому знаходимо значення з в, що цікавить нас точці й у цей момент часу.

25. Ізотерми сорбції й десорбції

При взаємодії вологого матеріалу з навколишнім повітрям можливий випар вологи в повітря або поглинання водяної пари з навколишнього повітря. Напрямок цього процесу залежить від співвідношення між парціальним тиском пари в повітрі р_п і парціальним тиском пари в поверхні матеріалу р_м¹: якщо р_м > рп. відбувається процес випару (десорбція); якщо р_м< р_п, матеріал воложиться за рахунок поглинання пари, з навколишнього повітря (сорбція); якщо р_м = р_п наступає стан динамічної рівноваги. Вологовміст, при якому водяний, пара над матеріалом перебуває в динамічній рівновазі з пором у навколишньому повітрі, називається рівноважним (u_р) і є функцією відносної вологості й температури повітря.

Рівноважний вологовміст, що відповідає р_м / р_п =1 (або ц = 100 %), називається максимальним гігроскопічним вологовмістом ur.

Якщо матеріал поміщати в атмосферу повітря з різною відносною вологістю ц, зберігаючи при цьому температуру постійної, то можна одержати залежність и_р = f / ( ), називану ізотермою сорбції, якщо рівновага між р_п і р_м було досягнуто сорбцією (зволоженням), або ізотермою десорбцій, якщо волога при досягненні рівноваги випаровувалася з матеріалу.

Ізотерми сорбції й десорбції не збігаються, тобто спостерігається явище сорбційного гістерезису.

Однієї із причин цього явищі вважається наявність у капілярах повітря, яке попадає в них при висушуванні (сушінню) і адсорбується на їхніх стінках. При зволоженні відбувається неповне змочування, і, щоб подолати опір повітря, необхідно збільшити парціальний тиск пари, тобто відносну вологість .

По кривій рівноважного вологовмісту можна визначити необхідні значення відносної вологості й температури сушильного агента для досягнення необхідного ступеня висушування матеріалу. По ній можна встановити умови зберігання різних матеріалів і з'ясувати процентне співвідношення різних форм зв'язки вологи з матеріалом.

При конвективному сушінню матеріалу процес може бути проведений тільки до рівноважного вологовмісту, відповідний до даних параметрів сушильного агента (t, ), У зв'язку із цим у сушильній техніці вводиться поняття вологовмісту, що віддаляється, иу (рис 5.2), яке являє собою різниця між вологовмістом матеріалу й рівноважним вологовмістом u_р:

(5.9)

26. Кінетика й динаміка процесу сушіння

Під кінетикою процесу сушіння розуміють закономірності зміни середнього вологовмісту й середньої температури тіла в часі. Ці закономірності дозволяють аналізувати вплив параметрів процесу сушіння на зовнішній тепло- і массообмен, на технологічні властивості матеріалу, розрахувати кількість випаруваної вологи з матеріалу й кількість теплоти, що витрачається на сушіння.

Процес сушіння матеріалу характеризується кривого сушіння, кривої швидкості сушіння й температурної кривої.

Залежності між вологовмістом матеріалу й часом сушіння u = f( ) називається кривого сушіння (мал. 5.3, а), залежність між температурою матеріалу й часом сушіння t= f ( ) -- температурної кривої.

Швидкістю сушіння N називається зміна вологовмісту або вологості матеріалу, в одиницю часу (%/с), а залежність швидкості сушіння N від вологовмісту -- кривої швидкості сушіння N = f/ (u) (рис; 30.2, в).

Швидкість сушіння може бути визначена методом графічного диференціювання як тангенс кута нахилу дотичної до будь-якої точки кривого сушіння або методом табличного диференціювання.

Розрізняють шість можливих форм кривих швидкості сушіння. Характер кривої швидкості сушіння залежить від структури матеріалу, розмірів зразка, форм зв'язку вологи з матеріалом і механізму переміщення вологи.

Процес сушіння відповідно до характеру зміни кривих кінетики розділяється на два періоди: перший період -- період постійної швидкості сушіння (I) і другий період -- період падаючої швидкості (II). На початку періоду I, коли вологовміст змінюється по кривій, спостерігається нетривала стадія прогріву, після чого крива сушіння має вигляд прямої. Температура матеріалу в цей період постійна й при конвективному сушінню дорівнює температурі мокрого термометра. Тиск пар над поверхнею постійний й дорівнює парціальному тиску пар, при повному насиченні повітря. У періоді I випаровується вільна волога з поверхні матеріалу й процес протікає найбільше інтенсивно. Швидкість сушіння при цьому визначається дифузією пар вологи з поверхні матеріалу в навколишнє середовище.

Період падаючої швидкості сушіння характеризується тим, що зі зменшенням вологовмісту матеріалу швидкість сушіння безупинно зменшується. Цей період наступає при досягненні матеріалом першого критичного вологовмісту (точка ДО1).

Після точки ДО1 прямолінійна ділянка на кривій переходить у криволінійний, який асимптотично наближається до кривої рівноважного вологовмісту.

Температура матеріалу з настанням періоду II починає підвищуватися й при досягненні матеріалом рівноважного вологовмісту встановлюється постійної й при конвективному сушінню рівній температурі повітря tc. Підвищення температури центру матеріалу tu відбувається повільніше, чим температури поверхні t_п. Усередині матеріалу виникає градієнт температур, який зменшується й стає рівним нулю при досягненні рівноважного вологовмісту.

Швидкість, сушіння після точки ДО1 починає різко зменшуватися. Настання періоду падаючої швидкості визначається тим, що кількість вологи, що надходить до поверхні із внутрішніх шарів, зменшується. Вологовміст на поверхні матеріалу стає рівним гігроскопічному. Але тому що вологовміст усередині матеріалу вище гігроскопічного, середній вологовміст у крапці ДО1 більше гігроскопічного.

Зменшення потоку вологи, що надходить до поверхні із внутрішніх шарів, приводить до поглиблення зони випаровування усередину матеріалу. При цьому починає підвищуватися температура матеріалу.

Для шкіри період падаючої швидкості розділяється на дві ділянки точкою ДО2 -- другою точкою критичного вологовмісту. У цій точці на поверхні матеріалу встановлюється рівноважний вологовміст, а в глибині -- більш високе. Значення величин критичних вологовмістів uk₁ і uk₂ залежить від швидкості й режиму сушіння.

Розглянуті закономірності протікання процесу сушіння характеризують зміна середніх значень вологовмісту й температури тіла в часі. Для дослідження механізму процесу сушіння необхідно знати динаміку процесу, тобто розподіл полів вологовмісту u і температури t . Характер їх розподілу в часі при різних способах сушіння представлено на рис 5.4. Аналіз графіків показує, що при конвективному і радіаційному сушінню із двостороннім опроміненням матеріалу ( за винятком тонких пластин) температура в центрі нижче, чим на поверхні, а вологовміст, навпаки, вище. Градієнт температур виявляє гальмуюча дія на переміщення вологи. Рух вологи до поверхні відбувається під дією градієнта вологовмістів.

При контактнім і високочастотнім сушінні гальмуюча дія виявляє градієнт вологовмістів, а переміщення вологи до поверхні матеріалу відбувається внаслідок градієнта температур.

При комбінації радіаційного й високочастотного підведення теплоти вирішальним фактором, що виявляють вплив на процес, є градієнт надлишкового тиску, що виникає усередині матеріалу. Градієнти температури й вологовмісту впливають на інтенсивність процесу.

Наявність нерівномірних полів вологовмістів приводить до виникнення напруг усередині матеріалу. Характер напруг змінюється з переміщенням зони випару вглиб матеріалу. Виникнення напруг приводить до зміни розмірів (усадці) і форми й утворення тріщин, що впливає на якість готового матеріалу й на техніко-економічні показники технології його виготовлення.

27. Способи сушіння

Сушінням називається процес видалення вологи з матеріалу шляхом випаровування за рахунок підведеної теплоти.

Обладнання, у яких здійснюється процес сушіння, називаються сушильними установками, або сушарками.

Робоче тіло, за допомогою якого віддаляється волога, що висушується, називається сушильним агентом. Найпоширенішим сушильним агентом: є повітря. Розрізняють природнє й штучне сушіння.

Природнє сушіння проводиться за рахунок теплоти атмосферного повітря який переміщається під дією природніх факторів -- вітру, якщо, сушіння здійснюється під навісом на відкритому повітрі, або різниці щільності повітря, якщо сушіння відбувається в сушильній установці. Природнє сушіння застосовується для масової обробки матеріалів. До недоліків природнього сушіння ставиться необхідність у великій площі для розміщення матеріалу, тривалість процесу й залежність від стану | атмосферного повітря

При штучному сушінні сушильний агент переміщається примусово за допомогою вентилятора або ежектора.

По виду підведення теплоти розрізняють конвективну, контактне сушіння й сушіння в електромагнітному полі.

При конвективному сушінню теплота необхідна для випаровування вологи, передається від сушильного агента конвекцією. У якості сушильного агента застосовується повітря, топкові гази, перегріта пара або інертні гази.

Контактне сушіння (кондуктивне)- здійснюється при передачі теплоти теплопровідністю від нагрітої поверхні до матеріалу, що висушується. Нагрівання контактної поверхні може походити від повітря, води або пара.

Сушіння в електромагнітному полі. Залежно від діапазону довжини хвиль сушіння в електромагнітному полі розділяють на радіаційне сушіння, сушіння в поле струмів високої частоти (ТВЧ), сушіння в поле надвисокої частоти (СВЧ).

При радіаційнім сушінні теплота до матеріалу передається тепловим випромінюванням.

При сушінні в поле ТВЧ і СВЧ відбувається перетворення в теплоту енергії електричних полів по всій масі матеріалу.

Залежно від тиску в сушильній установці розрізняють атмосферне й вакуумне сушіння. Атмосферне сушіння відбувається при атмосферному тиску. Вакуумне сушіння проводиться при тиску сушильного агента, значно, меншому атмосферного.

Якщо вода перебуває в замороженому стані, то вона може змінювати фазовий стан без плавлення, шляхом сублімації. Це явище лежить в основі сублімаційного сушіння, яке може здійснюватися як при атмосферному тиску так і вакуумному.

Гідності або недоліки, характерні для кожного способу сушіння й можна використовувати при їхній комбінації, тобто здійснювати комбіноване сушіння.

Комбіноване сушіння широко застосовується в легкій промисловості. Так, для сушіння шкіри застосовуються контактно-вакуумний і конвективно-радіаційний способи, для сушіння взуття -- радіаційно-вакуумний спосіб, для сушіння трикотажу й шкіри -- контактно-конвективний спосіб.

28. Сушіння перегрітою парою

У виробництві деяких матеріалів застосовується нагрівання вологого матеріалу насиченим або перегрітою водяною парою, у процесі якого одночасно відбувається його сушіння.

Температурні криві, наведені на мал. 36.2, показують, що при сушінні перегрітою парою (t_с = 150° С) температури поверхні й центру зразка однакові й рівні приблизно 100°С протягом усього періоду постійної швидкості ( при видаленні від 220 до 80% вологи). У періоді падаючої швидкості сушіння усередині тіла виникає перепад температури, який спочатку збільшується, досягаючи максимуму, а потім зменшується, поступово наближаючись до нуля наприкінці процесу сушіння. У випадку сушіння нагрітим повітрям при тій же температурі 150° С спостерігається аналогічна закономірність, однак температура тіла в періоді постійної швидкості сушіння рівне приблизно 70° С. Отже, при сушінні перегрітою парою температура тіла в процесі сушіння вище, що сприяє більш інтенсивному переносу вологи усередині тіла.

При сушінні повітрям градієнт вологовмісту в періоді постійної швидкості практично дорівнює нулю, у періоді падаючої швидкості він спочатку збільшується й потім, досягшись максимуму, поступово зменшується. Криві розподілу вологовмісту за формою близькі до парабол. При сушінні перегрітою парою (мал.36.3, б) вологовміст на поверхні тіла в періоді прогріву, як і слід було сподіватися, більше, чим у центрі, у результаті конденсації пари на холодній поверхні тіла в періоді підігріву. Явище конденсації можна простежити по кривих сушіння (мал. 36.1), де воно позначається на збільшенні середнього вологовмісту тіла із часом у першому періоді сушіння.

У міру видалення вологи різниця вологовмістів на поверхні й у центрі тіла зменшується, і в періоді падаючої швидкості криві розподілу вологовмісту мають такий же вид, як і при сушінні повітрям сушінню перегрітою парою з попереднім підігрівом (мал. 36.3 б) явища конденсації усуваються й криві розподілу вологовмісту стають аналогічними кривим при сушінні повітрям.

,(36.1)

дифузія полімер електромоделювання потенціал

де tt і t_м -- відповідно температура теплоносія й матеріалу; різниця ентальпій пари в теплоносії й волозі при середній температурі тіла,

(36.2)

Тепло- і масообмін у середовищі перегрітого пари.

Рушійною силою вологообміну при випарі вологи в повітря прийнято вважати різниця парціальних тисків між поверхневим шаром і навколишнім середовищем. У середовищі перегрітої водяної пари різниця парціальних тисків у звичайнім розумінні відсутній, тому визначення рушійних сил вимагає додаткового обґрунтування. Можна показати, що молярнокмолекулярний мас-5мін на поверхні тіла в загальному випадку визначається градієнтами хімічного потенціалу й загального тиску. Перший градієнт характеризує в основному молекулярну, а другий -- молярну складові процесу.

Размещено на Allbest.ru