Научные основы управления внутренним тепломассо-переносом в капиллярно-пористых телах при создании энергоресурсосберегающих технологий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Институт технической теплофизики

На правах рукописи

ШЮШМАНОВ Виталий Александрович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ВНУТРЕННИМ ТШЛОШ.ССО-ПЕРЕКОСОМ В КАПШИЯРКО-ПОРИСШХ ТЕЛАХ ПРИ СОЗДАНИИ ЭНШХ>РЕСУРСОСБЕРЕПАЩК ТЕХНОЛОГИИ

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и иолекулярная физика

1 \

А В I О р 0 ф в Р 8 I

диссертации на соискание ученой степени доктора тезническюс наук

Киев - 1994

Диссертация является рукопиоью. Работа выполнена в Институте технической теплофизики Национальной Академии наук Украины Официальные ошопенты: доктор технический наук, профессор

доктор химических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - Украинский университет пищевых технологий, г.Киев.

Защита состоится Ю^К 1994 г. в чаоов на

заседании сдециадизировашогсЯученого совета Д 016.43.01 в Институте технической теплофизики Н4Н Украины (252057, Каев-57, ул.Еелябовз, 2а).

С диссертацией ысссао ознакомиться в библиотеке ИТТФ ЩН Украины.

Автореферат разослан // 1994 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета,

кандидат ^технически наук К°СТеНК° Н'В'

Луцик П.П. Манк В. В. Кашурин А.Н. Государственный

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Вопроси енерго- и ресурсосбережения приобрели особу» остроту в Украине в связи с истощением собственных запасов органического топлива и- зависимостью- -от поставок онергоноситёлей, а также сырья для ряда отраслей промышленности из стран ближнего и дальнего зарубежья.Основой при создании энергоресуроосберегающих. экологически чистых технологий различных отраслей промышленности ' .являются процессы переноса теплоты и массы о участием твердых дисперсных матери лов.

Многочисленные исследования процессов тепло- и массоотдачи показали высокую эффективность их шгаенсификэдии за счет повышения скорости теплоносителя,его искусственной турбулизащш, применения элементов малых геометрических размеров, вибрации поверхностей, наложения акустических, неоднородных электрических и магнитных полей, а также частичная или полная замена конвективного теплообмена высокотемпературным радиационным, контактным, индукционным, высокочастотным методами подвода теплоты в тех случаях, когда применение этих методов будет оправдано экономически о учетом все возрастающей стоимости енергоносителей.

Однако в технологических процессах различных отраслей промышленности широко■ распространен перенос теплоты и массы в твердых дисперсных материалах - увлажнение, суика, пропитка, экстракция, мембранное разделение жидких и газообразных вещес-гв и т.п. При втсм интенсивность теплопереноса в дисперсных материалах целиком определяется окоротью внутреннего массопереноса. Очень часто в етпх случаях интенсификация внешнего тепломассообмена не позволяет получать положительные результата, так как интенсивность протекания технологических процессов с участием дисперсных материалов чаще всего лимитируется именно скоростью внутреннего переноса массы, которая определяет как производительность технологического оборудования, так и качество получаемой продукции. В частности, во многих случаях производительность всей технологической линии сдерживается недостаточной интенсивностью наиболее энергоемких процессов сушки материалов. Причем, интенсифицировать процесс сушки не всегда удается без ускорения внутреннего массопереноса. В Институте технической теплофизики (ИГТФ) HAH Украины были разработаны высокоинтенсивные методы сушки ряда материалов: сушка высокотемпературным влажным теплоносителем , а также пародепрес-сионяый метод сушки, суть которого заключается в том, что сушимый материал помещается в паропроницаемую пористую оболочку. Вслед-

сгвие снижения интенсивности испарения, температура материала повышается, что и ведет к ускорению внутреннего влагшереноса• При определенных сочетаниях режимных параметров удается не только компенсировать замедление внешнего теплообмена поверхности материала с окружаюцей средой, во и обеспечить общее ускорение процесса сушки.

Опубликованные в литературе результаты исследований свидетельствуют о недостаточной изученности влияния температуры материала, его структурных характеристик, формы капилляров и добавок поверхностно- активных веществ (ПАВ) п внутренний массоперенос, а также механизма пародепресиошюй сушки. Вое это и определяет актуальность исследований внутреннего тепломассопереноса в дисперсных материалах.

Целью работа является установление механизма переноса массы в моделях пористых сред, а также разработка практических способов управления внутренним тепломассоперенооом при создании новых внергоресурсосберегавдих технологий и совершенствовании существующих технологических процессов гигро- в пндротермической обработки дисперсных иетериалов.

Для достижения составленной цели решались следующие задачи:

- изучение капиллярного движения жидкости в одиночных капиллярах, двухкапиллярной модели пористого тела - системе двух разновеликих капилляров, соединенных друг о другом по всей длине, и капиллярно - пористых материалах;

- вксперименг&льное исследование влияния неионогенных ПАВ на процесс капиллярного впитывания жидкости материалами;

- исследование процесса испарения жидкости из капилляров переменного сечения, а также цилиндрических капилляров при - наличии воздухо- и полупроницаемых оболочек;

- изучение влияния свойств воздухопроницаемых оболочек на температуру материала и интенсивность внутреннего ыассоперсиоса при пародепрессионной сушке материалов.

Работа выполнялась в соответствии с планшш научно-исследовательских работ Института технической теплофизики HAH Украины, входящих в координационные планы HAH Украины по проблемам "Теплофизика" и "Теплофизика и теплоэнергетика", в целевую комплексную научно-техническую программу О.Ц.ОЗО "Развитие производства биологически полноценных пищевых продуктов на основе комплексного использования сырья и снижения его потерь" на 1981-1935 гг., а также в работы по Постановлениям Совета Министров УССР и других

директивных документов.

Метод исследования. Исследования проведены на моделях пористых сред - одиночных цилиндрических капиллярах и капиллярах переменного сечения, двухкапиллярной модели пористого тела, а также модельных капиллярно-пористых телах различной структура.

Аналитические и численные исследования процессов переноса иассы в моделях пористых сред сопоставлялись с вкопериментальными данными, 'опубликованными в литературе и полученными в работе с использованием традиционных методов исследований.

Достоверность полученных результатов определяется соответствием предложенных математических моделей процессов нассопереноса вксперементальныы результатам, использованием апробированных методов исследований, -удовлетворительным согласованием результатов работы о опубликованными данными.

Научная новизна работы.;

- Получены аналитические зависимости, учитывающие влияние толщины и вязкости граничного слоя на скорость ламинарного течения в капиллярах. Впервые проанализирована температурная зависимость скорости, движения вода в цилиндрических капиллярах различного радиуса при скачкообразном и гиперболическом характерах изменения вязкости в граничном слое.

Впервые получено дифференциальное уравнение движения жидкости под действием капиллярных сил в конических капиллярах. Установлено влияние конусности и сил трения вытесняемого воздуха на скорость капиллярного двиаения.

- Впервые получены дифференциальные уравнения капиллярного впитывания жидкости двухкапиллярной моделью пористого тела о учетом сопротивления течению зшдкости из широкого капилляра в узкий. Установлен механизм переноса жидкости в рассматриваемой системе, который качественно подтверждается при капиллярном впитывании жидкости капиллярно- пористыми материалами.

- Вскрыто влияние добавок неионогенных ПАВ на процессы капиллярного впитывания воды одиночными вертикально расположенными цилиндрическими капиллярами и твердыми ' дисперсными материалами. Определены значения, концентраций растворов ПАВ, при которых наблюдается интенсификация влагопереноса в тонкопористых материалах.

- Показано существенное влияние формы одиночных капилляров на скорость углубления мениска при испарении жидкости.

- Получены аналитические зависимости, описывающие процесс

переноса массы через воздухопроницаемые оболочки при испарении из одиночных капилляров и материалов с учетом сопротивления фильтрационному переносу парогазовой смеси.

- Предложены методика вкопериментального определения коэффициентов диффузионного сопротивления, фильтрации и проницаемости материала в процессе испарения вода из цилиндрических капилляров (трубок) через воздухопроницаемые оболочки и изучено влияние температуры и влагосодеркания теплоносителя, а также состояния оболочки на скорость массопереноса через нее.

- Впервые получены аналитические зависимости, описывающие процесс испарения из одиночных цилиядричесюа капилляров через полупроницаемые оболочки, вскрыт механизм этого процесса.

Практическая ценность работы.

- Предложен способ ускорения капиллярного переноса жидкости в тонкопористом материале-за счет соединения с грубопористым.

- Обоснован выбор оптимальных концентраций неионогенных ПАВ, при которых наблюдается наибольшее ускорение влагопереноса в процессе капиллярной пропитки тонкопористых материалов.

- Разработана методика комплексного экспериментального определения величин коэффициентов диффузионного сопротивления, фильтрации и проницаемости воздухопроницаемых оболочек по кинетике испарения жидкости из сообщающихся капилляров (трубок) и нестационарной фильтрации паровоздушной смеси.

' - Разработана методика и программа расчета на ПЭВЫ температуры материала и величины избыточного давления под воздухопроницаемой оболочкой в первом периоде пародепрессионной сушки.

- Разработана методика вкспериментального определения величины ко&ффициента парспроницаемости полупроницаемых оболочек по кинетике испарения кидкости из сообщающихся капилляров (трубок).

- Предложен метод анализа пористой системы материала по величине давления под оболочкой в процессе испарения гадкое гл.

- Предложены способы управления процессами внутреннего массопереноса путей: изменения температуры материала за счет использования паропроницаемых оболочек и в"соковла»ного высокотемпературного теплоносителя; применения неионогенных ПАВ, а также перехода к обработке материала в виде минимально-возможных элементов.

Реализация результатов. Результаты исследований использованы в МИФ HAH Украины при создании высокоинтенсивных способов суши коконов, вискозного шелка в куличах, дозирущегося стекловолок-

вита, а также технологических линий промышленной переработки льна, производства пищевого красителя на основе столовой свеклы и переработка яблочных выжимок. Разработки защищены авторскими свидетельствами и внедрены в Украине и ряде стран СНГ. Технологическая линия по производству порошков из яблочных выжимок внедрена в Чехословакии.

Апробация работа.; Основные результата работа докладывались на' 1У Международном конгрессе по химическому машиностроению и автоматизации (CH1SA-72) (Прага,1972), Международных форумах по тепло- и массообмену (Минск,1988; Киев, 1992): Всесоюзных совещаниях по тепло- и массообмену (Минск, .1968, 1972); Всесоюзных и республиканских конференциях и семинарах по сушке (Москва, 1965, Калинин, 1977; Симферополь, 1978 г., Чернигов, 1981 г., Полтава 1984 г., Черкассы 1.987 г., Киев, 1990 г.); Всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях и совещаниях (Москва, 1986, 1987 гг., Киев, 1989,1991 гг.).

Публикации. Па теме диссертации автором опубликовано 63 печатных работы, получено 12 авторских свидетельствi

Личное участие автора состоит ö постановке и разработке основной идеи диссертации, в постановке и решении основных задач работы теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора разработаны методики и лабораторные установки, выполнены вкспериыент'альные исследования. Автору принадлекат основные положения большинства опубликованных в соавторстве й использованных в диссертации работ, а также проведенные в диссертации анализ и обобщение их результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы, вклю-чаюцего-451 источник. Диссертация изложена на 308 страницах машинописного текста, содержит 185 рис. и 5 таблиц.

■ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАбОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы, основная цель и задачи исследований, кратко изложена научная новизна и практическая значимость полученных в работе результатов.

В первой главе представлен обзор научных исследований 8 области переноса теплоты и массы в твердых дисперсных материалах, рассмотрена получившая наибольшее распространение схема форм связи влаги с материалом, предложенная академиком П.А.Ребиндером. Проанализированы экспериментальные данные

- б -

Б.В.Дерягкна, Н.В.Чураева, Н.И.Гамашова, Н.Н.Федякина и др. об отличии свойств граничных слоев жидкости от овойетв жидкости в объеме. В частности, показано, что вязкость граничных слоев полярных жидкостей существенно вше вязкости в.объеме, приведены модели скачкообразного, гиперболического и экспоненциального характера изменения вязкости по мере удаления от твердой стенки.

Механизм переноса жидкости и его интенсивность определяются. коллоидно-физическими свойствами твердых дисперсных материалов, что положено в основу классификации этих материалов, предложенной А.В.Лыковым, которая развита в работах А.В.Киоилева, С.П.Рудобашгы, А.Ф.Буляндры, В.С.Саззша, Р.В.Луцыка, исходя из структурных и технологических особенностей реальных материалов.

Расмотрена также классификация моделей пористой система А.П.Карнаухова, которая дополнена из работ других авторов с учетом разнообразия форм и размеров пор в материалах.

Изложены существующие представления о видах массопереноса в моделях пористых, сред и реальных материалах. Проанализирована зависимость интенсивности тепло- и. массопереноса в твердых дисперсных материалах в зависимости от вида тела, его структуры, влагосодержания, температуры, наличия растворенных в воде електролитов и поверхностно-активных веществ.

Результаты вкспершентальных исследований интенсивности массопереноса во влажных материалах при различных температурах, проведенных Я.М.Мшшовичем, В.И.ДуОницким, А.С.Гинзбургом, Н.Е.Горобцовой и др., а также результаты кааих исследований подтверждают резку» зависимость ее ■ от абсолютной температуры-(пропорциональна !ГП). Однако, механизм воздействия температура на процесс массопереноса не вскрывается. Показана также недостаточная изученность влияния формы капилляров, структурных характеристик материала и добавок неионогенных ПАВ на механизм внутреннего влагопереноса , а также свойств паропроницаемых оболочек на процесс пародепрессиодаой сушки высокотемпературным высоковлажным теплоносителем, разработанный в ИТТФ НШ Украины.

Анализ состояния исследований процессов массопереноса во влажных материалах и путей управления ими показал необходимость проведения исследований массопереноса на моделях пористых сред в виде одиночных капилляров, двухкапиллярной модели пористого тела и модельных материалах различной структуры,а также позволил обосновать цель диссертационной работы и задачи исследований.

Во вгоройг главе приведены ' результаты исследований капиллярного движения жидкости в моделях пористых сред: одиночных капиллярах и двухкапшшярной модели порытого тела.

В слое граничном о твердой поверхностью свойства жидкостей отличаются от свойств жидкости в объеме. В случае жидкостей с дппольнши молекулами по представлениям В.В.Дерягина. H.H. Федя-юша и да- авторов наблюдается резкий переход от свойств жидкости в граничйсм слое к свойствам яидкости в объеме на некотором расстоянии от твердой стенки. Рассмотрение дифференциального уравнения, определяющего скорость течения жидкости как функцию расстояния от оси трубы, при условии, ЧТО вязкость жидкости. Г)а в граничном слое толщиной 5 постоянна и отлична от вязкости жидкости ц в объеме, а что на расстоянии 5 от стенки происходит скачкообразное изменение вязкости от г?Л до rj , приводит к следующей зависимости для объемного расхода жидкости через капилляр:

где: 3 = б/г - относительная толщина граничного слоя жидкости; ¿Р - разность давлений на участке капилляра длинной I.

В этой зависимости' комплекс перед фигурной скобкой представляет собой уравнение Пуазейля-Гагена, а в- фигурных скобках -поправку П^, учитывающую влияние свойств в граничном слое на процесс движения влаги. Причем, при отсутствии граничного слоя или в случае, когда достаточно велик радиус капилляра, т.е. отношение 3 мало, значение поправки Пд незначительно отличается от 1, и формула (2.1) превращается в уравнение Пуазейля для жидкости, вязкость которой равна объемной. При 3 = 1, т.е. когда граничный слой заполняет вое пространство капилляра, получаем уравнение Пуазейля для жидкости с вязкостью т)а.

Анализ влияния изменения толщины гранично'го слоя и его вязкости на профиль скоростей и интенсивность движения влаги по капилляру показивае«!, что для ' ускорения • движения необходимо уменьшать толщину и вязкость граничного слоя, а также вязкость объемной жидкости. При малых относительных толщинах граничного слоя ( 8 <0,25) на скорость движения жидкости более заметно сказывается уменьшение толщины слоя, чем его вязкости, а при высоких - сильнее влияние вязкости.

Ю.А.Михайлов и др. исследователи предполагают гиперболический характер изменения вязкости жидкости в граничном слое:

(1 _ 3)4+ _L 5 [1+ (1- J)2J[1+ (1- S)2] ., (2.1) "л

7 s

8 П l

V

о.,

^з - - ■

п 1 + <2.2)

v у3

где: 5 - расстояние от, твердой стенки, при которой вязкость жидкости в 2 раза выше вязкости в объеме, и характеризует степень влияния стенки ва величину вязкости жидкости.

Поправка к уравнению Пуазейля в этом случае получена в виде:

П5 = 1 - 45

(1 + ЪГ 1п

(1 +■»)'

5г- 5 + 1

2

3

(35 - Г- 1)

агЫб

(2 -.3)'

-1

-5г

. (2.3)

- ам^ —

■Б--'

рассмотренное Н.В.Чураевим вкспоненциальном

МГ

В работе проанализировано также течение кидкости в цилиндрическом капилляре при изменении вязкости в граничном слое-Анализ полученных результатов показал, что все рассмотренные модели изменения вязкости в граничном слое дают качественно одинаковую картину влияния толщины слоя на величину е$фектданой вязкости, т.е. нем больше толщина слоя, тем больше еффектденая вязкость жидкости в капилляре.

Из експерямевтальвдх дадрщх по тепловому расширении води в капиллярах (Н.Н.Федякда), тттяя в хвзриерых капиллярах (Н.В.Чу-раев) и силикагеле (З.н.торбинэ) пздучены зависимости толщины граничного слоя воды от температуры для различных моделей, которые использована при анализе влияния температура на интенсивность движения воды в одиночных цилиндрических капиллярах. Используя также табличные значения плотности, поверхностного натяжения и динамической вязкости вода, рассчитывался, ее поток при. различных температурах. Затем строились зависимости относительной интенсивности влаголереноса от абсолютной температуры ( ) = от" для капилляров различного радиус а, и методой наименьших квадратов определялись значения постоянной о и показателя степени п. Значения показателя степени при Пд/I? =» 10 (рис. 1) удовлетворительно согласуются б вкспершевтальными данными, полученными для различных материалов и сашкагелей различного фракционного состава, и определяются, в основном, изменением толщины граничного слоя жидкости с ростом температуры.

Влияние формы капилляров на процесс движения воды изучалось на одиночных цилиндрических и конических капиллярах.

Теоретическому рассмотрению ламинарного течения вязкой яидкоотй в конфузорах и диффузорах при малых числах Рейнольдса посвящены работы Н.А*Слезкина, С.Ы.Тарга, В.И.Керчмана и др. Полученные при втом расчетные, зависимости достаточно сложны для практического использования .Поэтому, при выводе дифференциального уравнения движения жидкости в капиллярах переменного сечения принималось, что в каждом поперечном сечении профиль скорости параболический согласно уравнению Пуазейля-, а из сопоставления с известными аналитическими решениями .' были определены соответствующие поправки. В'результате получено дифференциальное уравнение движения гидкооти в - капиллярах ..переменного сечения, которое для конических горизонтальных капилляров с учетом рилы трения вытесняемого воздуха'имеет вид: Л '. ' ь

8пг2— Г f ч [. Л"

dt , t-J.. Г) J г«

2а cose п^

= О, (2.4)

■ Ц - .

где':.-скорость перемещения мениска; I - место раеполсятения

di • ' , |-

мениска;' 1> - длина капилляра;' Л^« 41 + кг - К/cosQ и ПК= 1 +

40,0416к + 0,24 1í2 _ поправки, .-учитывающие влияние конусности нв величину капиллярного давления -в месте контакта жидкости со стенкой капилляра и отличие градиентов давления в коническом и цилиндрическом капилляра х.. •"''■■

В экспериментальных исследованиях радиусы капилляров изменялись Ьт 30.до 250 ыкм/ .Конусность капилляров составляла 0,1-0,65 мкм/мм при их длине/180-210 мм. Экспериментальные данные сравнивались с расчетнШи величинами, -полученными при решении дифференциального-уравнения (2.4).

-Повышение температуры вода приводит к увеличению скорости ее движения в капиллярах рззличной формы , которое вызвано изме-нением.вязкостии поверхностного натякенкя вода. Влияние же сил трения воздуха определяется температурой и геометрией капилляра. Для расширяющихся и цилиндрических капилляров ето влияние незна-■ чительно. Для суяагоакщихся капилляров время Движения воды о учетом сил трения воздуха по полученным нами данным при t = 20°С на 10—16Я , а при t = 90°С - на 40-60$ больше, чем при их отсутствии. Это вызвано увеличением вязкости воздуха с повышением его температуры. Влияние силы трения воздуха возрастает с увеличением конусности,. ■

Скорость движения вода для расширяющихся капилляров в 5-Ю

раз больше, чем для этих же капилляров, но с противоположным направлением движения (сватающиеся капилляры). Причем, разница тем больше, чем больше конусность капилляра, а при одинаковой конусности - чем больше радиус суживающегося конца капилляра. Сопоставление полученных экспериментальных данных с расчетными кривыми подтвердило правильность исходных предпосылок, которые использовались при выводе дифференциального уравнения движения влаги по' горизонтальному коническому капилляру.

Движение жидкости в двухкашшмрной модели изучалось экспериментально о помощь» киносъемки на образце из оргстекла, который содержал два капилляра различного размера,соединенных непосредственно между собой то всей длине, и два изолированных капилляра таких же размеров. В качестве пропитывающей жидкости было взято вакуумное масло, которое хорошо смачивает оргстекло.

Анализ кинограмм показал (рис.2), что в самом начале процесса мениск в узком капилляре отстает от мениска в широком. Затем -вплоть до окончания пропитки, опережает мениск в широком капилляре. При етом, до тех пор пока можно обнаружить перемещение мениска в узком капилляре, наблюдается, хотя и более медленное, перемещение в широком. Уровень же жидкости в широком изолированном капилляре в ето время практически неподвижен. Кроме, того, уровень жидкости в узком изолированном капилляре вое время отстает от уровня в узком сообщающемся , а в широком - опережает уровень в широком сообщающемся капиллярах, что свидетельствует о перетоке жидкости из широкого' капилляра в узкий, чем и объясняется более высокая скорость перемещения мениска в узком сообщающемся капилляре.

При анализе полученных экспериментальных данных сопротивление перетоку жидкости представлялось как сопротивление .трения щелевого соединительного канала шириной А и длинной ¿1г, характеристики которого определялись из геометрических размеров модели и экспериментальных данных в момент равенства уровней в широком и узком капиллярах.Скорость течения жидкости в соединительном канале W12 находилась из решения следующего дифференциального уравнения, полученнЬго из баланса массы переносимой жидкости:

d2W,

dxa 12

AW,, , (2.5)

где:

A Rji^ R2f2 llz pgr? pgr§ ^ pgA2

X ---Li-1—. u =_±i; -R2= ---> Rl3=-!

a Rjfj. R2f2 Ri2 8r) 8tJ 12Г]

íjH fa - сечения узких и широких капилляров (радиусом rt и г2).

На первой стадии процесса переток жидкости из широкого капилляра в узкий происходит на длине , соответствующей уровню жидкости в узксм капилляре. Из этого уравнения определяем распределение скорости перетока жидкости и перепада0 давления на етой длине в. обоих капиллярах,течение жидкости в которых предполагается подчиняющимся уравнении Пуазейля. В результате получена следующая система дифференциальных уравнений впитывания жидкости в двухкаотллярной модели:

dZ. iU Н, - J..aínyi

í.-- + (1-B.) í2— = iR.fjH- (l-BjJR,^] —:--,.(2.6)

dt cLt —

d¿2 (H2 - ^BlnyiJ-d-BjXHj -

• i*" s R>Xo n i -.... - . .r. t (2.7)

2 dr ^-(1-Bj)^

где:£, я i2 - положение менисков в узком и широком капиллярах в момент времени г: tp - угол наклона модели к горизонту.

На второй стадии процесса, когда > Z2, переток жидкости происходит на участке -t3 и система уравнений принимает вид: dt, , Н, - í2Binip fi(l-Bi)^—f2-. = [R,f2+ (ЬВа)^^] -■— ,(2.8)

dt dr Z2 í_i_i = Hf--1-?-5-1-5- , (2.9)

dt ¿j-(1-Ba)Í3 • ,

В формулах (2.6)-(2.9) Bj и B3 — комплексы, характеризующие степень связанности капилляров: :

В

ч

|l + _L (ZJIA HJ ot^ÇF " 1] (2-10)

Ва s Íl + ——- (Z2Ía Hj oth zJa H2 - i] 'l, • (2.11)

L E22 J

• R.í, + R2í, R.f, + R-f, 20ч0вв 26OOS0

где: r21= } ? R22= 11 2; H^-; Ha=- ;

• Mi k2Í2- pgp, pgr2

2,= -ij/HjH Z2= ¿2/Нг - относительные величины уровней в капиллярах.

При В,+ 1 или В2-» 1 получаем уравнения, описывающие течение жидкости в изолированных капиллярах, ■ а при В,-» 0 - в идеальной модели, когда сопротивление перетоку жидкости пренебрежимо мало.

Эти системы уравнений решались численно методом Рунге-Кутта четвертого порядка с использованием ЭВМ. Результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных представлены на рис.3 в виде

зависимостей от 23. При 22>0,3,т.е. после прохоздения /

точки равенства уровней в обоих капиллярах, . експеримштальныб -точки и расчетная кривая для идеальной модели практически совпа- . дают. На начальном 'участке учет сопротивления перетоку жидкости . приводит к качественно одинаковому характеру изменения рассматриваемых величин, однако наблюдается значительное количественное расхоздение. Это связано с тем, что в начале при малых А/г. тече- . ние в капиллярах не описывается уравнением Пуазейля. Использование полного среднего (ка&уцегося) коэффициента трения по зависимости Лангхаара, учитывающего эффекты увеличения скорости во входном сечении и развития поля скоростей, привело к удовлетворительному совпадению расчетных и експериментальных данных.

Система уравнений для идеальной "модели позволяет получить аналитическое решение при горизонтальном расположении капилляров.

В втом случае мевду бе зразмершан длинами столбиков жидкости должна наблюдаться црямопропорциональная зависимость, что было' подтверздено на второй стадам пропитки горизонтально расположенной модели. Таким образом, установлено влияние скорости шдкооги на характер .ее движения в деухкашлляраой модели, ; обусловленное гидравлическим сопротивлением перетоку кидкости .

Третья глава посвящена вкеаертеяталыши исследованиям капиллярного движения кидкости в капиллярно-пористых и капиллярно-пористых коллоидных материалах.

' Анализ результатов исследований процесса движения жидкости в двухкапиллярной модели показал, что отношение уровней кидкости в узких и широких капиллярах больше 1 и имеется максимум при г3/г^ = 1,75-2,25, который тем больше, чем больше количество тонких капилляров, приходящихся на один широкий.. Отсюда следует, что соединением тонкопористых тел с грубопористши можно ускорить влагоперевос в тонкопористаи материале за счет меньшего сопротивления течении аидкооти в грубошриотом материале. Экспериментальные исследования на кварцевом песке, представленные на рис.4, полностью согласуются с даняши расчетного анализа. Скорость капиллярной пропитки кварцевого песка'с разме" частиц до 0,25 мм вике, чем такого же песка с размером частиц 0,5 ш (кривые 1 и 2). При пропитке образца, в котором ети фракции соприкасайся между собой, скорость пропитки гонкодаспврсного песка возрастает (кривая 3), а грубодисперсного - падает (кривая 4).

От структурных характеристик пористой системы зависит л механизм воздействия добавок неиоаогекных ПАВ - спиртов с различ-

ной молекулярной массой (бутиловый, амиловый, гептиловый и др.).

Интенсивность переноса жидкости при ее капиллярном впитывании материалами по предложению Б.В.Дерягина характеризуется темпом пропитки, который является коэффициентом пропорциональности между величиной квадрата объема впитанной жидкости и временем процесса:

V2 = шт , (3.1)

Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке Б.В.Дерягина, в которой пропитка образца производилась при постоянном давлении, а количество впитанной жидкости определялось объемным методом по изменению уровня, кидкости в , мерном цилиндре, устроенном по принципу сосуда Мариотта.

Изучение кинетики впитывания растворов бутилового спирта различной концентрации для образцов из искусственного волокна и еиликагеля показали, что добавки ПАВ интенсифицируют процесс капиллярной пропитки. Относительная величина теша пропитки m/m0 (где ш0 - темп пропитки материала дистиллированной водой) с увеличением концентрации- изменяется не монотонно (рис.4). Имеются две области концентраций (о =? 0,595 и 2,5!? для бутилового спирта), при которых наблюдается наибольшая интенсификация маосопереноса. Сопоставление с величиной адсорбции молекул ПАВ из растворов раз-яичной концентрации показывает, что область концентрации 0,5!? соответствует окончанию линейного участка изотермы адсорбции, т.е. образованию монослоя, молекулы ПАВ в котором расположены параллельно твердой поверхности. При о = 2,5—3,0% заканчивается формирование монослоя о ориентацией молекул перпендикулярно поверхности раздела твердое тело - жидкость. Причем, с увеличением длины цепочки, т.е. с увеличением молекулярной массы спирта, значения концентраций, при которых наблюдается наибольшее ускорение пропитки, уменьшаются.

Эффект интенсификации снижается при пропитие материалов с более крупными пораш, т.е. в материалах, где влияние повышенной вязкости граничных слоев меньше. Применение добавок неионогешшх ПАВ позволяет полу лать дополнительное ускорение процесса маосопереноса и при переходе к повышенным температурам, однако степень интенсификации с ростом температуры уменьшается.

Экспериментальные исследования влагопереноса в одиночных капиллярах и материалах с различными структурными характеристиками показали, что благодаря адсорбции ПАВ на стенках капилляров наблюдается снижение концентрации ПАВ у мениска движущейся кидко-

ста и возникает диффузионный шток молекул ПАВ вдоль - капиллярной системы. Поверхностное натяжение на мениске возрастает по сравнению с поверхностным натяжением исходного раствора, что благоприятно сказывается на скорости массопереноса. Воздействие же на граничные слои жидкости приводит к более резкому снижению вффектив.-ной вязкости жидкости, и этот эффект превалирует над снижением поверхностного натяжения по сравнению с чистой водой.

Исследованиями показано, что наличие неионогенных ЛАВ в растворах макет приводить к интенсификации влагопереноса. в тонкопористых телах и замедлению - в грубопористых, что позволяет добавками ПАВ управлять влагопереносом в виде жидкости и наличие их в 'растворах необходимо принимать во внимание при отработке режимов гидротермической обработки материалов в реальных технологических процессах.

В четвертой главе излокешг результаты исследований процесса испарения жидкости из одиночных капилляров сложной формы и цилиндрических капилляров при наличии ~ добавок летучих ПАВ, а также из капиллярных трубок через воздухопроницаемые оболочки.

Используя формулу Стефана, получены зависимости для расхода пара Gn и скорости углубления мениска в капиллярах с произвольным законом изменения сечения:

йг. G„ D„P Р - р"

- --2-= р Ш-(4.1)

dt ptW Г _dx_ f " i T<X)

где: pno - парциальное давление паров в окружающей среде.

Эксперименты проводились на неполярной жидкости - бензоле при температуре 200С параллельно на капиллярах цилиндрической и сложной форм. Через определенные промежутки времени фиксировали положение менисков о помощью катетометра КМ-б. После опытов капилляры разрезали в нескольких местах и определяли зависимость радиусов от их длины. Сопоставление экспериментальных данных с расчетными, представленное на рис.5, свидетельствует о корректности полученных формул. Кроме того, из рис.5 следует, что скорость испарения дош> расширяющегося к устью капилляра выше, а для суживающегося - кике по сравнению с цилиндрическим капилляром при одних и тех ке условиях.

Результаты експериментов в виде зависимости обратной величины скорости углубления мениска от его положения для капилляра, в котором имелось несколько чередующихся участков расширения и су-

жешя, приведены на pito.б. Максимальные отклонения по сравнению с цилиндрическим капилляром наблюдаются ' при прохождении мениском мест сужения и расширения, что согласуется о аналитическими результатами при рассмотрении процесса углубления мениска в капилляре, радиус которого изменяется по синусоидальному закону.

Полученные результаты объясняются перераспределением парциального давления паров испарякщейся жидкости по длине капилляра. При расположении мениска в самой узкой части капилляра сложной формы градиент парциального давления у мениска вше, а при расположении в самой широкой часта - ниже, чем в цилиндрическом при прочих равных условиях. Это и обуславливает--« одном случае увеличение, а в другом - уменьшение скорости испарения по сравнению с цилиндрически« капилляром.

Н.В.Чураевым показано, что при определенных условиях наблюдается пленочный перевоз явдкоеги по стенкам капиллярной системы за счет расклишшащего давления. Пленочное течение жидкости происходит также за счет градиента поверхностного натяжения на поверхности пленки, возникающего благодаря распределению тешера-туры или концентрации растворенных в кидкости веществ.

Дополнительное изменение поверхностного натяжения можно осуществить добавками легколетучего ПАВ. При испарении ПАВ с поверхности пленки концентрация его убыват к устью капилляра, а поверхностное ватякение возрастает, что било подтверждено экспериментальными исследованиями испарения водных растворов бутилового спирта. В отличие от испарения дистиллированной води, где наблюдается монотонное снижение скорости испарения -по мере углубления мениска, для водных растворов бутилового спирта при определенных радиусах капилляра обнаружены свои особенности. Вслед за отступающим мениском на стенках капилляра образуются утолщения пленки Ейдкости, которые'сливаются в столбик, что переносит фронт испарения ближе к устью капилляра и интенсифицирует процесс удаления жидкости. Всего наблюдалось до трех таких столбиков. Затем, по мере удаления жидкости, наблюдается истощение столбиков, их исчезновение и резкое снижение скорости испарения до уровня интенсивности в капилляре без пленки.

В работе, походя из известных представлений о переносе влаги в капиллярно - пористых материалах в области гигроскопического состояния о испсльзованием коэффициента диффузионного сопротивления fiá, предложены зависимости для' определения интенсивности влагопереноса через воздухопроницаемую оболочку при неизотерми-

ческих условиях с учетом избыточного .давления паровоздушной смеси:

Л, Рр п т„

»л

1п-

Рп

Р - р»/пв

йу

(4.2)

а также величины избыточного давления под оболочкой

Ропво

Г '

где: Б0 и

2 2

14П„ Т,

о

т

П Ы

'во

1п-

* - р„

Р - р^/пе

-,(4-3)

-коэффициенты диффузии пара и динамической

¿и

вязкости парогазовой смеси при Т0 и Р0; Пв = 1 + ЛР / Р.

Эти зависимости положены в основу при выводе расчетных формул, описывающих процесс испарения жидкости из одиночных цилиндрических капилляров через воздухопроницаемые оболочки при ее постоянной температуре!

"п »О

Рп

Рл* + г I т!

Т }г р - р 1п~

Р - РХ/ПВ

ЛР П0г)

во

Р0К

1+ Пе

"воМ

(4.4)

Р - Р„ Ш--—, (4.5)

Р - _р»/пв

в

где:

'в

1во И

"в ИП

и I—- -1 - средние значения в оболочке.

м

а в и во

Аналитические исследования процесса испарения жидкости из одиночных капилляров при наличии воздухопроницаемых оболочек показали, что основную роль играет величина диффузионного сопротивления оболочки как на кинетику испарения жидкости, так и на кинетику изменения избыточного давления под оболочкой. Величина же избыточного давления, как следует из зависимости (4.3), определяется произведением , т.е. зг._ясит как от

проницаемости оболочки, так и ее диффузионного сопротивления.

Из формулы (4.4) следует, что между обратной величиной скорости испарения (скорости углубления мениска) и расстоянием до уровня жидкости в капилляре наблюдается линейная зависимость при постоянном значении величины р^в, что подтверждается проведенными экспериментами (рис.8). Одновременно в опыте измерялась кинетика

К

испарения из открытого капилляра при тех ке условиях, что позволяло определять величину коефрщиента диффузионного сопротивления оболочки по разнице уровней в открытой капилляре X. и капилляре с оболочкой при одном и. том же значении скорости испарения в обоих капиллярах:

(1Лв = -I - гв . (4.6)

Коэффициенты фильтрации и проницаемости оболочек определялись по скорости испарения жидкости и величине избыточного давления, возникающего под оболочкой, на и -образной трубке. Короткое колено такой трубки заклеивалось исследуемой оболочкой. Второе колено значительно большей длины сообщается „а. атмосферой. . Заполненный исследуемой жидкостью образец помещался в воздушный термостат. В течение опыта контролировались условия в окружающей среде и периодически производилось измерение уровней жидкости в обоих коленах образца. По разности уровней определялась

величина избыточного давления паровоздушной смеси под оболочкой. В начале эксперимента наблюдался рост избыточного давления, связанный с прогревом жидкости и увеличением скорости испарения. После достижения максимального значения происходит непрерывное снижение величины избыточного давления. Обратная величина избыточного давления линейно растет с увеличением расстояния I до уровня жидкости в коротком колене образца.

Количество испаряющейся .кидкости определялось по формуле:

а

е„ = р — . (4.7)

йт

где:2- = •£ + -£' - суммарное расстояние от оболочки до уровней жидкости в коротком А. и длинном I' коленах образца.

Обратная величина скорости испарения в образце также растет с увеличением расстояния

Расчетная формула для определения величины коэффициента фильтрации получена из'зависимостей (4.4), (4.5) "и (4.7):

в А.1

Кф =.--, (4.8)

Рв.ср^ «

где: Рв>0р - средняя плотность парогазовой смеси при температуре опыта и величине среднего парциального давления паров в оболочке.

Проницаемость материала оболочки определялась по величинам коэффициента фильтрации и средней вязкости пв ^парогазовой смеси в оболочке:

К*Кф"в.ср-

Параллельные измерения на образце без оболочки позволили

получить из втого ке опыта и величину диффузионного сопротивлений изучаемой оболочки [формула (4.6)]. : ■

На втом же образце определялись значения коэффициентов фильтрации и проницаемости методом нестационарной фильтрации перед началом и после окончания опытов по испарению жидкости. В длинном колене трубки,создавалось разрежение и йидкость поднималась в нем до тех пор , пока уровень в узком колене находился выше изгиба трубки. Затем длинное колено сообщалось с атмосферой, и измерялся ряд значений уровня в различные моменты времени, по которым и определялись разности уровней в трубках. Строилась зависимость разности уровней от времени в полулогарифмической системе координат. По угловому коэффициенту прямой на начальной стадии вычислялся коэффициент фильтрации ло формуле, полученной из закона Дарси:

о 1п(ДПл / Ш) • • . .

Кф • — —ш- .■; . ;. ,, : <4.«)

где: ДЬ0 и А)г - начальное и текущее значения разности уровней- в образце. ' ■ ■ ■

Экспериментальное исследования испарения воды из одиночных капилляров и II - образного образца: проводились в диапазоне температур 30 - 95°С на'оболочках из различных видов бумага, являющейся типичным капиллярно - пористым телом и широко распространенной в качестве упаковочного материала и оболочек -на основе бумаги и картона при лародепрессионной сушке материалов. Установлено, что диффузионное сопротивление изучаемых оболочек с повышением температуры снижается, однако это уменьшение невелико. Отклонение от среднего значения в рассмотренном диапазоне не превышает 15Й для оболочки из писчей и А% для чертежной бумаги, и в практических расчетах величину диффузионного сопротивления оболочки данного вида можно принимать постоянной. Показано, что для многослойных оболочек соблюдается закон аддитивности, т.е. диффузионное сопротивление равно суше сопротивлений , составляющих оболочек. Предварительное увлажнение оболочки и повышение влаго-содержания теплоносителя привода? к снижению величины диффузионного сопротивления, т.е. к интенсификации ' влагопереноса через оболочки. Коэффициенты фильтрации и. проницаемости исследуемых, оболочек практически не зависят от температуры. Цри в той -результаты опытов по испарению влаги и нестационарной фильтрации удовлетворительно согласуются мекду собой. -

В пятой; главе рассмотрен механизм пародепрессионвой сушки

материалов высокотемпературным внсоковлажнш теплоносителем.

На основе приведенных выше зависимостей для определения интенсивности влагопереноса через воздухопроницаемую оболочку в неизотермических ' условиях , с . учетом избыточного давления паровоздушной смеси Получены аналитическйе зависимости и разработана методика расчета на ПЭВМ температуры материала в первом периоде пародепрессионной сушки' о учетом диффузионного сопротивления и величины проницаемости капиллярно-пористой оболочки при условии, что теплота, подведенная к поверхности материала через' оболочку, полностью расходуется на испарение влаги, а мезду процессами внешнего тепло- и массообыена существует приближённая аналогия." При выводе расчетной формулы для определения температуры материала использована квадратичная апроксимация зависимости давления насыденша паров от температуры: "" в 1Л1 + и+ т.

в"

где:гп, пи

X,

емлирнческие коэффициенты,

(5.1) постоянные для

определенных интервалов температуры.

Расчет температуры материала производился по формуле:;.

=

( пв+- кв) + К„)а + ас(квц- Ш.+

В втой зависимости коэффициент Кэ характеризует ную величину/ теплопроводности .и массопереноса в' слое и оболочке:

' ХвоК?о 1 4 В1п (1--г Р„

?о 1 + 1 -ЕД,

следующей

(5.2)

относитель-пограничном

КВ =

(5.3)

где: Хв0 и гда- коэффициент теплопроводности сухого газа и теплота испарения жидкости при 6 = 0°С; Ег - температурный коэффициент .теплоты испарения.

Показано, что иасоообиетое число В1го зависит от числа В!^ и тепловлашостных условий в зоне испарения под оболочкой и в окружакщей среде: ^

Р-Рпс

1 -

В1„ =

р-рд

р-р

Р-р" / п.

1+В1

то

1

(5.4)

Р-Рп

. Р-р» / П

1+В1,

то ~ 1

Р "Iй

г™ I „ —] ■

Т_ - сред

где: В1во = В1ЧК0(5 = ца

в Ав

ние значения температур оболочки и газа в пограничном слое; ш = = 0,3 - 0,43 - показатель степени, зависящий от режима течения парогазовой смеси и характера обтекания поверхности.

После ввода исходных данных, осуществляется автоматически выбор коеффициентов гр, пр и шр, производится расчет величин, входящих в расчетную формулу. Температура материала определяется-методом хорда - секущей в интервале существовашя решения.

Анализ полученных результатов (рис.9)-показал, что при паро-депрёссионной сушке материалов наблюдается более резкий рост температуры материала с повышением температуры теплоносителя по сравнению с методом сушки высокотемпературным высоковлажным теплоносителем. Причем, уровень температуры материала тем больше, чем больше толщина оболочки при прочих равных условиях или ее диффузионное сопротивление. Интенсификация внутреннего массопереноса за счет повышения температуры материала приводит к изменению относительного критического влагосодержания, которое определялось по формуле, полученной с использованием известной зависимости А.В.Лыкова для нахождения критического влагосодеркания при конвективной сушке материалов:

в и>р - и*п ; и "р ~ икро- иьвв " и0

лт

(5.5)

где:

К « 1 1 " ЕЛ

010 • представ-

■ Но «О ' *со- 1 - V«

ляет собой относительную величину скорости оушки в первом периоде с учетом свойств воздухопроницаемых оболочек; и -

температуры теплоноситнля и материала; икп и ицпо влагосодержание поверхности материала при средних значениях критического влагосодержания (икр и икро) и скорости сушки в первом периоде (Я и Н0) в рассматриваемых и исходны условиях.

Повышение влагосодержания теплоносителя при его неизменной температуре приводит к уменьшению относительного критического влагосодержания как за счет снижения скорости сушки в первом периоде, так и за счет интенсификации внутреннего влагопереноса. Снижение скорости сушки можно компенсировать повышением температурного уровня процесса. Так, если принять' вкр = 1, т.е. не до-

пустить увеличения критического влагосодержания материала, то при рп0 = 1,33.10 Па, например, повышение температуры теплоносителя до 96° С при п = 5,0 позволяет увеличить скорость сушки на 40% по сравнению с исходным вариантом ( ^ = 600С и рпо = 1,33«103Па). Реализация преимуществ данного метода ограничивается реальными возможностями создания высокого влагосодержания в сушильных установках, а наибольший вф&ект может быть достигнут при переходе к сушке перегретым паром, когда температура материала станет равной температуре насыщения при данном давлении.

Более еффективным способом повышения температуры материала в процессе конвективной сушки является -применение воздухопроницаемых капиллярно-пористых коллоидных оболочек. Повышением температуру теплоносителя при этом удается не только компенсировать термическое сопротивление оболочки, но и ускорить процесс сушки в целом. Возможная степень увеличения скорости сушки Ед при одновременном увеличении толкани оболочки (В1д ) и соответствующем росте температуры теплоносителя за счет повышения температуры материала показана на рис.5-2. Кривые получены при 9кр = 1 и п=5,0. Предельная интенсификация процесса сушют целиком определяется предельным ускорением внутреннего влагопереноса за счет приближения температуры материала к 1;я = 1000С.

Степень интенсификации процесса сушки определяется характером зависимости коэффициента диффузии влаги в материале от температуры. Установлено, что применение капиллярно-пористнх оболочек целесообразно при значении теплового числа Био меньшем 0,5, т.к. предельная интенсификация процесса сушки будет наблюдаться при более низком уровне температуры теплоносителя.Кроме того, создаются благоприятные условия для пленочного переноса яидкости по стенкам капилляров за счет расклинивающего давления, что сказывается на интенсивности внутреннего влагопереноса при углублении зоны испарения в капиллярно-пористых материалах.Избыточное давление, возникающее под герметичной оболочкой и зависящге от ге проницаемости, позволяет дополнительно интенсифицировать внутренний влагоперенос и ускорить процесс сушки в целом.

Таким образом, под пародепрессионной сушкой следует понимать процесс сушки материала, помещенного в воздухопроницаемые оболочки, под которыми возможно повышение давления паровоздушной смеси за счет фильтрационного сопротивления ее перемещению в оболочке.

Проведенный анализ механизма пародепрессиошюй сушки

материалов подтверждается экспериментальными исследованиями мас-сопереноса при ,сушке капиллярно-пористого тела - листовой гипсовой штукатурки и капиллярно-пористого коллоидного тела - вискозного волокна в виде паковок, помещенных в воздухопроницаемые обо-, лочки различной структуры. Причем, расчетные и измеренные значения температуры материала в первом периоде сушки гипсовой пластины без оболочки и армированной картоном удовлетворительно согласуются между собой.

Шестая глава посвящена исследованиям механизма испарения воды из одиночных - капилляров' через полупроницаемую мембранную оболочку.

Получены формулы для определения потока массы из одиночного капилляра, закрытого полупроницаемой оболочкой, и давления паровоздушной снеси в капилляре с использованием уравнения материального баланса воздуха под оболочкой и известных зависимостей для потоков пара через оболочку и в капилляре: .

АР.

п1

€п1

1 +

ы

(6.1)

р = 11

р"

■НтН!

ехр

n.

г г

-1 1 + к,

и-н

(6.2)

В а тих формулах: - поток пара в открытом

капилляре в момент закрытия его

полупроницаемой оболочкой при Т,, Р4< рп1 и Арп1 = р^ - рп1;

Н„ а

Т

Вп

>1

Ш-

Рй

комплекс, характеризующий

1

распределение пара в капилляре;

й = - —

Рво ёп1 жидкости воздух,

Ро

- .комплекс, учитывающий растворенный

^"Рги

растворимость

в

И1» Рво ~ плотность

которого воздуха при нормальных условиях.

Анализ полученных зависимостей показал, что в начальный момент возникает избыточное давление вследствие сопротивления массопереносу и заполнения пространства под оболочкой парами жидкости. По мере углубления мениска в изолированном капилляре избыточное давление под оболочкой снижается и сменяется все более

п

щ

возрастающим разрежением в капилляре. При бесконечно большом углублении мениска давление под оболочкой стремится к предельному значению, равному, давлению насиненных паров при данной температуре. Такое изменение давления под оболочкой в случае, если количеством растворенного в жидкости воздуха можно пренебречь, обуславливает постоянную скорость перемещения мениска в процессе .испарения. Скорость испарения определяемся •первоначальным' положением мениска и ее величина тем больше, чем меньше /т.е. чем меньше количество воздуха под оболочкой.

Описанный - механизм маосопереноса был подтвержден экспериментальными исследованиями процесса, испарения воды из одиночного капилляра, открытый конец которого герметично закрывался : целлофановой оболочкой (рис.11). При закрытии капилляра оболочкой скорость испарения резко падает. Вследствие увеличения разности давлений по обе стороны мембраны при углублении мениска возникают механические напряжения в материале н оболочка деформируется, втягиваясь внутрь капиллярной трубки до определенного продела. Паропроницаемость пленки при ■ этом снижается, а после завершения деформации - остается постоянной, после чего интенсивность испарения стабилизируется. В случае испарения при постоянном давлении под оболочкой скорость испарения с углублением мениска непрерывно стекается так же, как и при испарешм Еидкостз через капиллярно-пористые воздухопроницаемые оболочки.

Пэропроницаемость полимерной пленки практически не меняется щй испарении из II - образной модели, в которой один конец закрыт оболочкой, а второй,' гораздо большей длины, сообщается с атмосферой (рис.12). Давление под оболочкой снижается с течением времени, но его исмекеше пренебрежимо шло по сравнению с атмосферным давлением (рг:о.13).

.Аналитические зависимости, описывающие процесс испарения из !1 - образной ноделя, позволили предложить методику екотершен-тального определения коЕф£ициента паропроницземооти мембранной оболочки по скорости испарения из открытой II - образной модели и модели о оболочкой. Параллельно измерялось количество испарившейся жидкости в, обеих моделях, определялась скорость испарения

и изменение давления в окружающей среде и под оболочкой. В момент времени, когда ДК = О, измеряются общее давление и парциальное давление паров в окружающей среде, а также величина углубления мениска под оболочкой ^ . По равенству скоростей испарения в обеих моделях определяется величина углубления -£ в открытой

модели. Величина паропроницаемости на основании этих измерений вычислялась по зависимости: Кр • р

я Г [ I - I. д£

(Р —1

- Рп)[1 ~ е*р("

(6.3) <?т ,

Е ¿Г

"Про *

где: 2 = —£--- величина, характеризующая интенсивность

Р т

диффузионного переноса пара в капиллярной трубке.

Результаты вкоперименгального определения величины паролроницаемости целлофановой оболочки показали, что в области температур 40-500С наблюдается резкое снижение Тсоэффициентй паропро-ницаемооти вследствие перехода из стеклообразного состояния в аморфное, что согласуется с данными, опубликованными в литературе. В диапазоне же температур 60-8СЮС величина паропроницаемости остается практически неизменной. В этой зоне интенсифицирующее влияние температуры компенсируется структурными изменениями в материале.

Различие механизма испарения води из одиночных капилляров через Воздухопроницаемые и непроницаемые для воздуха оболочки позволило предложить метод анализа пористой структуры материала в виде тонкой оболочки по,величине давления под оболочкой при испарении из и - образной модели. Для воздухопроницаемых оболочек, т.е. в случае, когда в материале имеются сквозные поры, в пространства под оболочкой возникает давление, которое уменьшается по мере углубления мениска, оставаясь все время больше атмосферного. При отсутствии сквозных пор давление под оболочкой линейно уменьшается о течением времени и под оболочкой возникает затем рзз-рехение, которое непрерывно возрастает (рис 13).

Целлофановые и бумажные оболочки различной структуры, имеющие одинаковые химическую природу и вид кривых равновесного состояния, относятся к коллоидным кяпиллярно-пористым материалам по классификации А.В.Лыкова, принадлежат к различным группам по классификации С.П.Рудобашты: целлофан- неиористое тело, бумага -капиллярно-пористое тело.Анализ по данной методике показал, что некоторые материалы являются непористши (кожура рыбы, кожица сливы и винограда, колбасные оболочки и др.) и при сушке материалов с такими оболочками необходимо учитывать их влияние на механизм внутреннего влагопереноса.

В седьмой главе представлены способы управления интенсивностью тепломаесопереноса в тверды* дисперсных материалах, которые

были использованы при разработке конкретных тепломас'сообменных технологических процессов различных отраслей промышленности.

На основе анализа литературных данных и результатов настоящей работы предложен ряд способов управления процессами внутреннего массопереноса: изменение температуры материала, добавки не-ионогенных ПАВ и электролитов, воздействие на структуру материала, переход к обработке материалов в виде элементов с минимально возможными по технологическим соображениям геометрическими размерами и др. Практическое осуществление этих способов отличается большим разнообразием и зависит от конкретных условий и параметров протекания технологических процессов,-Необходимо отметить, что способы ускорения внутреннего влагопереноса при сушке материалов имеют специфические особенности.

Положительный эффект интенсификации внутреннего влагопереноса наряду с использованием интенсифицирующего влияния температуры в описанных в главе 5 методах сушки можно получить за счет подогрева массивного материала перед сушкой высокотемпературным теплоносителем с высоким влагосодержанием ( d = 300 г/кг.с.в.), что'было использовано в ИТТФ HAH Украины при создании способов сушки коконов и вискозного шелка в куличах. Прогрев осуществлялся за счет конденсации водяных паров на поверхности материала. Повышенный уровень температур и благоприятное направление теплового потока из внутренних слоев к поверхности™ обеспечивают ускорение сушки в целом, несмотря на увлажнение в начале процесса.

Анализ обезвоживания двухкапиллярной модели капиллярно-, пористого тела и экспериментальных исследований процесса, сушки искусственных волокон показал, что. переход от сушки вискозного шелка в куличах к сушке в виде одиночных волокон приводит к принципиальному изменению механизма сушки. Величина критического ялп-госодержания материала при сушке одиночных волокон близка к величине максимально-гигроскопического влагоеодержания, и процесс удаления влаги во втором периоде сушки целиком определяется Физико-химическими свойствами материала, а также параметрами теплоносителя. Переход к обработке материалов в виде элементов минимально возможных геометрических размеров, измельчение материала в допустимых пределах или его гранулирование позволяет уменьшить или вообще ликвидировать лимитирующее влияние скорости внутреннего массопереноса на процесс сушки.

При сушке шелковичных коконов осуществляется паролепрес-сионный способ сушки с применением высокотемпературного высоко-

влажного теплоносителя, поскольку практически вся удаляемая влага содержится в куколке, находящейся внутри кокона и окруженной шелковой оболочкой. Повышение температуры теплоносителя до 100-120QC с одновременным увеличением его влагосодер&ания до 125-13э г/кг с.в. позволило сократить время сушки в 3-5 раз по сравнению с существующим способом (t= =60°С, d = 10 г/кг с.в., время сушки 14-15 часов) за счет повышения температуры материала и ускорения внутреннего влагопереноса.

На предприятиях Министерства сельского хозяйства и легкой промышленности СССР было внедрено свыше 400 агрегатов КСК-4,5 и t 60 агрегатов СК-150К, реализующих указашый_резиш сушки,

Для сушки искусственного шелка в куличах ИТТФ HAH Украины и Киевским комбинатом искусственного волокна была создана зональная сушильная установка типа СВШ, в первой зоне которой осуществлен предварительный прогрев материала, что приводит к уменьшению неравномерности структуры нити в начале и конце кулича. Производительность установки была увеличина в 3,5-6 раз, .производственные площади, занимаемые сушильным оборудованием, сокращены в 2-2,5 раза, а объем незавершенного производства - в 4-5 раз.

Сушильные установки типа СВШ внедрены на Киевском и Балаков-ском комбинатах химического волокна.

Высокотемпературный высоковлжный теплоноситель был использован яри создании способа обработки прессовочного дозирующегося стекловолокнита путем замет части просасываемого через установку воздуха перегретым паром, что позволило увеличить производительность установки, сократить отхода получаемой продукции и повысить похаро- и взрывобезопасность. Способ был реализован на Ступинском заводе стекловолокон. "

При разработке технологической линии промышленного приготовления льнотресты термобиологическим способом применены методы повышения температуры материала и перехода к его обработке практически в виде одиночных алементов благодаря контейнерам -специальной конструкции с вертикальным расположением снопов.

Подогрев вода до 70 - 95°С на стадии пэрвой гидротермической обработки обеспечил быстрое и равномерное увлажнение материала, вкстракцшо из него водорастворимых соединений, отмывку от загрязнений, расширение пор растительной ткани и пастеризацию. В результате ускорился последующий процесс мочки в регенерированной иочильной жидкости в 1,5-2 раза. Следует отметить, что исполь-> зевание неиояогенного ШВ (0П-10) позволяет сократить время пер-

вой гидротермической обработки, получить шелковистое льноволокно, но несколько удлиняет процесс мочки.На стадии второй гидротермической обработки в подогретой воде ^=50ос) происходит остановка биологических процессов мочки и качественная промывка материала.

Дальнейшая обработка льнотресты осуществляется в одноярусной сушильной установке с продуваемым слоем, а последующая гигротер-мическая обработка' материала - паровоздушной смесью с определенной относительной влажностью, что обеспечивает улучшение его физико-механических свойств.

Предложенная технология, внедренная на Ыакаровском льнозаводе Киевской области, позволила сократить длительность процесса в 1,5-2 раза, уменьшить удельные потребления теплоты, электроэнергии, вода, устранить специфический запах, обеспечить равномерную обработку сырья во всем объеме и увеличить выход длинного волокна по сравнению с традиционным способом.

Основным процессом безотходных технологий получения пищевых красителей на основа столовой свеклы и переработки яблочных выжимок на порошки является сушка. Для обеспечения высокой скорости сушки материал непосредственно посла отжима сока формуют на тела правильной геометрической формы с минимально возможными размерами. Сочетание с двухстадайным управляемым режимом сушки обеспечивает высокое качество получаемой пищевой продукции и различную цветовую гашу красителя на основе столовой свеклы.

Технологические линии получения тшщевых красителей внедрены на 6 предприятиях Украины и России. Свыше 40 технологических линий по производству порошков из яблочных выжимок внедрено в странах СНГ, одна линия - в Чехословакии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении работы установлены физические представления о ыассопереносе в моделях пориотнх тел и капиллярно-пористых материалах, являющиеся научными основами управления процессами внутреннего массоперепоса за счет изменения температуры материала, его структурных характеристик и применения неионогенных поверхностно-активных веществ, а такие воздухопроницаемых и полупроницаемых оболочек. В результате:

"1. Получены аналитические зависимости, описывающие процесс движения жидкости в цилиндрических капиллярах при скачкообразном й гиперболическом характере изменения вязкости в граничном слое. Установлены показатели степени в температурной зависимости ско-

роста переноса влаги в одиночных капиллярах и различном характере изменения вязкости в граничном слое. Показано, что на увеличение скорости движения жидкости в капиллярах и капиллярно - пористых телах при 6 < 0,25 более еффективно уменьшение толщины граничного слоя, а при 2 > 0,5 - вязкости в нем.

2. Получено дифференциальное уравнение движения жидкости в горизонтальных конических капиллярах с учетом сил трения вытесняемого воздуха. Установлено, что скорость движения жидкости в суживающемся к устью капилляре выше, чем в цилиндрическом с одинаковым значением начального радиуса за счет уменьшения сопротивления в широкой части. При втом силы трения„вытесняемого воздуха оказывают существенное влияние на скорость движения в суживающихся капиллярах и их влияние пренебрежимо мало в расширяющихся к устью капиллярах.

3. Получены дифференциальные уравнения движения жидкости при ее капиллярном впитывании двухкагошшрной моделью пористого тела. Исследованиями установлено, что сопротивление перетоку жидкости из широкого капилляра в узкий оказывает сильное влияние в начальной стадии пропитки. При этом скорость перемещения мениска в узком капилляре выше, а в широком - ниже, чем в изолированных ка-шллярзх такого же радиуса.

4. Показано, что скорость капиллярного впитывания жидкости тонкопористыми материалами можно повысить за счет соединения их с крупнопористыми материалами.

5. Установлено, что для двухкагошшрной модели без сопротивления значения коэффициентов фильтрации при капиллярном впитывании и при стационарной фильтрации одинаковы, в то время как для изолированной системы разновеликих капилляров наблюдаются значительные расхождения.

6. Экспериментальными исследованиями воздействия добавок неионогеншг поверхностно-активннх веществ на процесс капиллярного впитывания вода капиллярно-пористыми и капиллярно-пористыми коллоидными материалами установлено увеличение темпа пропитки в 3-7 раз. Причем, ©ффект воздействия ПАВ существенно зависит от структурных характеристик материала. Установлен механизм воздействия ПАВ на влагоперенос в виде жидкости. Наблюдаются две области концентраций резкого увеличения скорости влагопереноса, которым соответствует формирование различно ориентированных слоев, что позволяет определить оптимальные концентрации применения ПАВ по изотермам адсорбции из растворов дисперсными материалами.

7- Изучено влияние изменения сечения одиночных капилляров вдоль их оси на скорость испарения. Показано, что в расширяющихся ; к устью капиллярах интенсивность испарения выше, а в сукивающихся ниже, чем в цилиндрическом капилляра при прочих равных условиях.

3. Получены аналитические зависимости для расчета интенсивности массоперенооа через капиллярно-пористые воздухопроницаемые оболочки в неизотермических условиях с учетом фильтрационного переноса парогазовой смеси.

9. Разработана методика комплексного экспериментального определения коэффициентов диффузионного сопротивления, (фильтрации парогазовой смеси и проницаемости воздухопроницаемых оболочек по скорости испарения на двух U - образных моделях с оболочкой и без нее о последующим контрольным определением коэффициента фильтрации на этой ке-установке методом нестационарной фильтрации.

10. Изучено влияние температуры на величины коэффициентов диффузионного сопротивления, фильтрации и проницаемости для двул видов бумажной оболочки. Показано, что диффузионное сопротивление о ростом тешературы уменьшается, в то время как коэффициент проницаемости практически не зависит от температуры. Установлено качественное влияние влагооодерггания теплоносителя и предварительного увлажнения оболочки;на величину диффузионного сопротивления.

. 11. Получены аналитические зависимости для определения температура материала в первом периоде сушки при наличии паропро-ницаемых оболочек, разработана методика и программа расчета на ГОШ величины избыточного давления под оболочкой и температуры материала а,первом периоде пародепрессионной сушки. Степень интенсификации процесса оуики определяется характером зависимости ков№здиента диффузии влаги в материале от тешературы. Установлено предельное значение числа Bi^, при котором наблюдается максимальное ускорение внутреннего влагопереноса. Показано, что для полупроницаемых оболочек оеновндаи параметрами, определяющими скорость испарения влаги, являются интенсивность внешнего теплообмена и проницаемость•оболочки.

12. Получены аналитические зависимости для определения величины давления под полупроницаемой оболочкой, а также скорости испарения из одиночных и сообщающихся (U - образной модели) капилляров. Установлено, что скорость испарения влаги из капилляров с полупроницаемыми оболочками остается постоянной и определяется свойствами оболочки и количеством воздуха з капилляре, я под оболочкой возникает разрежение, увеличивающееся по мере углубления

мениска и интенсифицирующее влагоперенос в капилляре.

13. Разработана методика определения коэффициента пароцро-ницаемооти полупроницаемых оболочек по испарению жидкости из сообщающихся капилляров.

14. На основании исследований процесса испарения из сообщающихся капилляров разработан метод анализа пористой структуры по величине давления под оболочкой, характер изменения которого поз-' воляет судить об эластичности пор и структурных изменениях в материале при сушке.

15.Предложены способы управления процессами внутреннего мае- . соперноса, использованные при создании и внедрении выеркоинтен- ■ сивных способов сушки коконов, вискозного шелка в куличах, дозирующегося стекловолокнита, а также технологических линий промыт- . ленной переработки льна, производства пищевого красителя на основе столовой свеклы и переработки яблочных выжимок. ,

Основными из опубликованных работ являются:

1. Боровский В.Р., Шелиманов В.А.Теплообмен цилиндрических тел малых радиусов и их систем.- Киев: Наукова думка, 1985.- 208 о.

2.Кремнев O.A., Боровский В.Р.," Шелиманов В.А. Прог\ессы перемещения влага в материалах IJ В кн.Скоростная сушка,- Киев: Госте-хиздат УССР, 1963.- С.120-138.

3. Шелиманов В.А. Высокотемпературная сушка влажным теплоносителем// -Тр. 2-й теплотехнич.конференц.молод.иослед.. 22-23 апреля 196; г.- Киев: Наукова думка, 1963.- С.102 - 107.

4. Шелиманов В.А. Исследование влияния температурных полей на перенос влаги в капиллярах // Сб. Теплофизика и теплотехника.- Киев: Наукова думка, 1964.- С.307-312.

5. Кремнев O.A., Боровский В.Р., Пиевский И.М., Шелиманов В.А. Пвродепрессионный метод сушки материалов высокотемпературным теплоносителем // Сб.Теплофизика и теплотехника,- Киев: Наукова думка, 1964.- С.321-326.

6. Боровский В.Р., Быкова Г.П., Кремнев O.A., Шелиманов-В.А. Исследс. зание коэффициента потенциалопроводности при различных' видах перемещения влаги в материалах // Сб. Теплофнзические свойства вещестБ. - Киев: Наукова думка, 1966.- С.27-31.

7. Боровский В.Р., Быкова Г.П., Кремнев O.A., Шелиманов В.А. Исследование коэффициенте потенциалопроводности при различных температурах материала // Сб.Геплофизические свойства веществ.- Киев: Наукова думка.- 1966.- С.44-Ы.

8. Шелиманов В.А., Коросташ М.Д., Верещагина Л.И. О влиянии

структуры материала на перенос влаги // Сб.Тепло- и ма'ссообмен в хим.технологии.- Киев: Наукова думка, 1967.- С.86-93.

9. Мустяца В.Т., Кремнев O.A., Боровский В.Р., Шелиманов В.А. О переносе влаги внутри капиллярно-пористых тел при наложении высокочастотных электрических полей // Техн. электромагнитная гидродинамика.- П.: Металлургия, 1967.- Ж,- С.342-350.

10. Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Корооташ М.Д.и др. Исследование влияния поверхностно-активных веществ на влагоперенос в капиллярно-пористом коллоидном теле . // Тепло- и массопере-HOC.-1968.- Т.6.-4.2.- С.273-276.

11. Боровский В.Р., Корооташ М.Д., Шелиманов В.А. и др. Влия-' ние поверхностно-активных веществ на сушку искусственных волокон в

нгутах // Хим.волокна.- 1968.- N1.- С.40-42.

12. Кремнев O.A., Боровский В.Р., Шелиманов В.А. и др. Сушка вискозного волокна о предаарительной тепловлажностной обработкой // Хим.волокна.-1969-- N2.- С.40-41.

13. Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Павлюк Л.П., Прудяк Д.Р. Исследование переноса растворов неионогенных поверхностно-актишшх веществ в капиллярно-пористом коллоидном теле при капиллярной пропитке // Теплофизика и теплотехника. - 1970.- Вып.16. - с.66-68.

14. Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Корооташ М.Д., Быкова Г.П. Исследование влияния термовлажностной обработки вискозного волокна в процессах сушки на его структуру // Теплофизика и теплотехника. - 1970.- Вып.17.- С.146-143.

15. Креынэв O.A., Боровский В.Р., Шелиманов В.А. и др. Исследование влияния плотности оболочек на процесс сушки вискозного шелка в куличах // Теплофизика и теплотехника. - 1970.- Вып.18.-С.117-121.

16. Шелиманов В.А., ПавлюкЛ.П. Воздействие неионогенного поверхностно-активного вещества (бутилового спирта) на влагоперенос при капиллярной пропитке материалов различной пористой структуры // Сб. Вопроси техн.теплофизики. Вып.З.- Киев: Наукова думка.-1971.- С.144-147.

17. Шелиманов В.А., Прудяк Д.Р., Николаенко Л.Я. Кинетика впитывания водаых растворов поверхностно-активных веществ одиночными капиллярами // Сб. Вопросы техн.теплофизики. Вып.З.- Киев: Науковв думка.- 1971.- С. 147-150.

18. Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Павлюк Л.П. Влияние раствора ПАВ (бутилового спирта) на скорость влагоперенооа в капиллярно-пористом тела // Теплофизика и теплотехника,- 1970.-

Вып.19.- С.57-59. , .

19. Кремнев O.A., Боровский В.Р., Шелиманов В.А. и др., О воздействии неисиогенныз. поверхностно-активных веществ на влагопере-нос в капиллярно-пористых телах // Теплофизика и теплотехника.-1972.- Вып.21.- С.16-18.

20. Кремнев O.A., Боровский В.Р., Шелиманов В.А, и Др. Некоторые вопросы механизма движения жидкости в моделях пористых тел под действием капиллярных сил •// Тепло- и , ыасооперенос1972.-Т.6.- С.44-48.

21. Кремнев O.A.,-Боровский В.Р., Шелиманов В.А. и др. О влиянии поверхностно-активных веществ на движение жидкости, в цилиндрических трубках под действием капиллярных сил // Теплофизика. и теплотехника.- 1972.- Вип.22.- С.10-12.

22. Шелиманов В.А., Прудяк Д.Р. Испарение водных растворов поверхзностно-активкых веществ из цилиндрических капилляров //'Cd.

Вопросы технической теплофизики.- Киев: Наукова думка.-.....1973.-

Вьст.4.- С.Э4-Э7.

23. Боровский В.Р., Шелиманов В.А..Шаркова H.A. Интенсификация процесса сушки одиночной движущейся вискозной нити // Теплофизика и теплотехника.- 1973.- Выл.-23.- С.82-84. -

24. Кремнев В.А., Боровский В.Р.,Шелиманов В.А., Прудяк Д.Р. Исследование процесса движения гэдкости по сообщающимся капиллярам // Теплофизика и теплотехника. - 1973.- Еып,24.-С.14-17.

25.Кремнев O.A., Боровский В.Р., Шелиманов В.А. и др. Изучение темпа пропитки модельных пористых тел // Теплофизика и теплотехника.- 1973.- Вып.24-- С.33-35- * ' "

26. Боровский В.Р., Велиманов В.А., Быкова Г.П. Изучение сорбциошшх свойств натурального и искусственного шелкового волокна // Теплофизика и теплотехника.- 1973.- Вып.25.- С.50-52. -

-27. Кремнев O.A. ,—Боровский-В.Ро-Ш0йаданов-В;Аг-И"Др.^Влияние те^овлагностной сушки на структуру искусственного волокна •// Хим.технология - 1974.- Кб.- С.25-27.

26. Кремнев O.A., Боровсетй'В.Р., Коростаи Ы.Д., Шелимаиот В.А. Исследование влияния паропроницаемых оболочек на процесс сушки искусственных волокон в куличах// Теплофизика и теплотехника. 1974.- Вып.26.- С.64-88.

29. Кремнев O.A., Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Прудяк Д.Р Испарение жидкости из конических капилляров // Теплофизика и теплотехника.- 1974.- Вып.27.-С.13-15.

30. Кремнев O.A., Шелшанов В.А., Прудяк Д.Р. Исследование

процесса испарения жидкостей из капилляров сложной формы // Всесоюз.науч.-техн.конф. по интенсификации процессов сушки и использованию новой техники. Секц.1. Теория сушки: Докл.- Минск, 1977.- С.122-126.

,31. Шелиманов В.А., Прудяк Д.Р. Изучение влияния температуры на влагоперенос в паропроницвемых оболочках // Разработка и внедрение высокоэффективных сушильных установок: Докл. Респ. научн. техн. сов. Вып.1.- Симферополь, 1978.- Киев: УкрНИИТИ.-19?8.-С.59-60.

, 32. Нреынев O.A., Боровский В.Р., Шелиманов В.А. и др. Исследование механизма капиллярного впитывания жидкости на двухкапил-лярнЬЯ модели // Сб. Интенсификация тепловлагопереноса в процессах сушки,- Киев: Наукова думка. - 1979.- С.3-13-

33. Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Грабов Л.Н. Исследование процесса конвективной сушки одиночного кокона // Реф.науч.-тех-нич.сб. "Шелк".- 1980.- N5,- С.18-19.

34. Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Прудяк Д.Р., Быкова Г.П. Влияние начального влагосодержания паропроницаемой оболочки на ее Диффузионное сопротивление' // Всесоюзная научно-технич.конф.по дальнейшему совершенств, теории, техники и технологии оушки 10-12 нюня 1981 г.- Чернигов.- Секц,1.- Ыинек: ИТМО АН БССР.- 1981.-С.123-125.

35. Боровский В.Р., Шаркова H.A., Шелиманов В.А., Полшцук Р.Я. Кинетика сушки одиночной движущейся нити при продольном и поперечном обтекании ее теплоносителем // Пром.теплотехника.- .1981.-Т.З.- Нб,- С.52-55-

36. Боровский В.Р., Демченко В.В., Шелиманов В.А. и др. Изменение красящих пигментов выжимок столовой свеклы в процессе сушки // Пищевая пром.- 1984.- N1.- С.36-38.

37. Боровский В.Р., Демченко В.В., Грабошникова В.И., Шелима-йов В.А. Изменение структуры выжимок.столовой свеклы при удалении влахи различных видов в процессе сушки 7/ Пром.теплотехника.-

1984.-Т.6.- N3.- С.72-75.

38. Шелиманов В.А., Быкова Г.П., Прудяк Д.Р. Влагоперенос при испарении через оболочки различной структуры JJ В кн. Процессы перекоса теплоты и вещества / Сб.науч.труд.- Киев: Наукова думка,

1985.- С.118-121.

39- Демченко В.В., Шелиманов В.А. Изменение пигментов выжимок столовой свеклы при обезвоживании // Плодоовощи, хозяйство.-

1986.- N9.- С.61-6Э.

■ 40. Шелиманов В.А., Прудяк Д.Р. Особенности процесса испарения жидкостей из.одиночных капилляров при наличии мембранных оболочек // Пром.теплотехника, 1989, Т. 11, Н1. С.78-82.

41". Шелиманов Б.А. Влияние свойств капиллярно-рористых оболочек на интенсивность внутреннего влагопереноса в первом периоде пародепрессионной сушки материала // Междун.коиф. по сушке: Докл.2-го Междун.форума по тепло- и мапоообмону,- Киев, 1992.-С.344-346.

Авторские свидетельства:

42. A.c. 300733. Способ сушки капиллярно-пористых материалов / Кремнев O.A., Боровский В.Р., Пиевский J.M., Шелиманов В.А., Чавдаров A.C., Кравец С.С., Ларский Г.Н. / - 1971.- 1с.

43. А.о.338573. Способ термоконденеационной обработки искусственного волокна / Кремнев O.A..Боровский В.Р..Корооташ М.Д. .Шелиманов В.А., Шимко И.Г., Стапцов А.К./- 1972.- 2 с.

44. А.о.537534 Способ тепловой обработки нити из химического и натурального волокна /Кремнев О.А,.Боровский ILP..Шаркова H.A., Шелиманов В.А.Дуценко В.Н./ - 1976.- 3 е..

45. А.0.741624. Способ сушки ' сырокопченых колбас./Кремнев O.A., Боровский В.Р., Кравец С.С., Шелиманов В.А., Ларский П.Н., Алексеенко В.Е./.- 1980.- 5 с.

46. А.с.759079. Способ сушки яблочной выжимки. /Крупко С.И., КремнеЕ O.A., Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Чавдаров A.C., Снежник Ю.4'., КрижановскиЯ И.С./.- 1980.- 4 с.

47. А.е.396347. Многозонная сушилка. /Боровский В.Р., Мишна-евский Л.М.-Г., ЛизакЛ.С., Павлович О.Н., Савченко H.A., Шерен-ковский Э.В., Шелиманов В.А./.- 1981.- 4 с.

48. А.с.939604. способ тепловой биологической мочки стеблей льна. /Боровский В.Р., Шелиманов В.А., Грабов Л.Н., Любезников Д.А., Кремнев В.О., Быкова Г,П./.- 1982.- 4 с.____

49ПГГсТ9494597~Способ определения влажности материала и устройство для его осуществления. /Безрядаш H.A., Боровиков D.C., Боровский В.Р., Брискин Г.С., Ильин A.B., Нечаев А.Н., Русаков С.С., Созинов В.И., Степаненко В.Г., Шелиманов В.А., Иенфельд А.Я./.-1982.- 3 с.

50. A.c.967079. Способ получения сахаросодержащего продукта из свеклы. /Кремнев O.A., Боровский В.Р., Заец A.C., Лопатин В.В., Жукотский Э.К., Шелиманов В.k.J.- 1982.- 8 с.

51. A.c.993694. Способ сушки нарезанной свеклы. /Кремнев O.A., Боровский В.Р., Заец A.C., Лопатин В.В., Шелиманов В.А., Жу-

котский Э.К., Маслюгов Л.М., Майструк П.К.- 1982.- 10 с.

52. А.о.1002163. Способ получения стеклоармированного преос-ыатерпала. /Боровский В.Р., Мишнаевский Л.М.-Г., Шелиманов В.А., .Андрианов В.Г./.- 1982.- 4 с.

53- А.о.1088351^ Способ получения пищевого красителя из растительного сырья.- /Кремнев O.A., Боровский В.Р., Мироненко Л.И., Демченко В.В., Шелиманов В.А., Мерзоян Г.С., Шкляр И.Н./ -1983-- 5 о.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ d - влагосодержание воздуха; В - коэффициент диффузии; Dp = sMjjD/RP - коэффициент диффузии, отнесенный к. разности парциальных давлений; Г - кивое сечение капилляра; g - ускорение свободного падения; g„ - поток пара; Н - максимальная высота капиллярного подъема жидкости; к - конусность капилляра; К - проницаемость пористого материала; Кр - коэффициент паропроницаемости полупроницаемой оболочки; Кф - коэффициент фильтрации; L - длина столбика жидкости, впитанной капилляром, расстояние от мениска гад-кости до устья капилляра; и - темп пропитки; И и Мп - молекулярные массы парогазовой смеси и пара; N - скорость сушки; р - парциальное давление компонента смеси; - давление насиненных паров жидкости; Р - общее давление газовой смеси; Р=р/Р - относительная величина парциального давления компонента в смеси; г -радиус капилляра; г - теплота испарения; R - универсальная газовая постоянная; s - толщина оболочки; t - температура; I -абсолютная температура; V - объемный расход; х - продольная координата; у - поперечная координата; Z=-£/B - относительная величина столбика впитанной кидкости; « - коэффициент теплоотдачи; 0 -коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений; S - толщина граничного слоя' жидкости; п и г)в- коэффициенты динамической вязкости жидкости и воздуха; 0 - угол омачияяния; X - ковффициент теплопроводности; fld - коэффициент диффузионного сопротивления дисперсной средч; р и рв- плотность жидкости и парогазовой смеси ; о - коэффициент поверхностного натяжения; t -время;. Р„/РЦ - относительная влажность воздуха.

Индексы: в - воздух; п - пар; О,ер - начальные и средние значения; s - оболочка.

Числа подобия; Bl„= ors/Xs; Bin=0ps/Dps - тепловое и массо-обменное. числа Био для оболочки; Рг и Рги- тепловое н диффузионное числа Прандтля.

л

о/ р

Рис. 1. Зависимость Ьоказателя степени в температурной зависимости скорости движения воды при скачкообразном изменении вязкости в граничном сдое.

•1 - г>/-0 -100; 2 - пя/г, «10; 3 - -5,0; 4 - т}а/г) -4,0; б - » -1,0.

ММ

/х

о? р V <г-

Ъс

Рис.2. Кинетика впитывания жидкости моделью капиллярной системы. 1,4 - широкий и узкий изолированные капилляры-, 2,3 - узкий и широкий капилляры в сообщающейся системе.

2,0

1° ' О

\ \ ° - 1 --2 ---3 -ц

\

' N Уч

V 5гз=а>

ОД

Рис. 3. Сопоставление экспериментальных данных и расчетных зависимостей

1 - опытные данные; 2 -расчетная зависимость без /чета сопротивления перетоку; 3 - то же, с учетом сопротивления перетоку; 4 -то же, с учетом явления гидродинамической стабилизации.

Г

¡г

8

к о

0'*мму

С //\ X У

А а^ /у о _ | - - 2 О _ 3 о - 1,

р

Рис.4. Кинетика процесса капиллярной пропитки кварцевого песка с различным размером частиц

1 - & » 0,5шш; 2 - (Л =

-0,25шт - опыты с перегородкой; 3 - Л - 0,5тш;

4 - с1 » 0,25тт - опыты без

О 20 40 60 50 ЮО 1с перегородки.

ГП

т

10

с

/ ■ч / \

( \| \ / \

N /

У>

г,о з,о

с;/.

Рис. 5. Относительный темп пропитки искусственного волокна растворами бутилового спирта.

г,к гд 2.0 <,8 <,6

—! о-| А-2 »-5

И'й""

*

<

8 & е,мм

Рис. 6. Сравнение экспериментальных и расчетных данных по испарению бензола из одиночных капилляров. Капилляры: 1 -цилиндрический; 2 -конический суживающийся; 3 - конический расширяющийся.

щ ,мин /мм «00-

500

п

\

о"

л

А"

рсО"

О — { 0-2

/о

гд зо ьо я> ¿о ¿/чм

Рис.7. Сравнение экспериментальных и расчетных данных по испарению бензола из одиночных капилляров. Капилляры: 1 -цилиндрический; 2 -конический суживающийся; 3 - конический расширяющийся.

ч/мы

7,0

5.0

зр

'.о

О -1 • ~г

_Рис..8._Испарение-во--ды через однослойную оболочку из чертежной

бумаги при I - 45°С.

1 -' открытая трубка;

2 - трубка с оболоч-

100

<5,0 20,0 £,мм КОЙ.

Íh'C

90

га

70 60 50 W 10 го

KS

Y sk

h 7

и 7

и/

__

Рис. 9. Влияние параметров теплоносителя и свойств воздухопроницаемых оболочек на температуру материала (а) и приведенный потенциал сушки (в) в первом периоде (дР / Р - 0).

1-3-Biq«0;l-P -1,33*10^Па;

2-Р -7,98*10%« 3-Р -1.33

по ' по

*104Па; 4-6-P^-1.33*103tta; 4-Biq-0,l;K.o<í - 100; 5-Biq--1,0; Kog - 100; 6-Biq-0,l;

60 wo fto (so гго гso te'с

o6

1000; 7-Biq-0,l;

Кotf-100; 7-Pjjo-7,S3*103Ila;

Ve гво 220

180 ДО

m 60

<1

3 /i

У/

// 2

(

30 Рис. 10. Зависимость температуры теплоносителя и материала, а также степени интенсификации процесса 2р сушки в зависимости от числа В1р при &кр - 1,0 (Ко<? -

-100 ; /Р / Р - 0) 1-1;

<,0

tj 3 - En.

о ор. Щ Ojo 0,8 Щ

го

/о

- »——«- —

у

ф-2

ю

го

Рис.11. Зависимость обратной величины скорости углубления мениска от его местоположения и=26°С).

1 - открытый.капилляр;

2 - испарение через целлофановую оболочку.

£,мм

гя

13

ш ю

V

у/мм

о-1 —г

9.0

Рис. 12. Зависимость обратной величины скорости испарения от расстояния до уровня жидкости в коротком колене модели. 1 - модель без оболочки; 2 - модель с целлофановой оболочкой.

ю е,*м

д/],мм

Рис. 13. Кинетика изменения давления под целлофановой оболочкой.

20 ЦО 60 80 ЮО %Ц

Shelimnov 7.A. Scientific bases or Internal heat * and mass transfer control In oaplllary - porous bodies at development of energy and reeurces saying tehnologles.

ffihesis'for dootor's degree In teohnioal soiences (specialisation 01.04. 14 - thsrnophysios'and molecular physios) Ukrainian National Academy of Sciences, Kiev,1994.

The thesis contains results оГ theoretical and experimental investigations of internal heat and mass transfer rate dependence on temperature, porous bodies and capillary porous materials models* structural characteristics and additons of nonionogenio ' surface aotive substances. The role of semipermeable and permeable to ail* shells In. the prooess of water evaporation from single capillaries and oaplllary- porous materials is shown. Hew ways of ths transfer processes control in solid disperse materials were used in ths development of high, intensity drying technique and tetiological lines, which have eventually been Introduced into industry. The thesis is based on 63 printed works and 12 sertificate3 of authorship.

Шелиманов B.A. Научные основы управления внутренним тепломас-сшереносом в капиллярно-пористых телах при создании энергоресурсосберегающих технологий. '

диссертация нэ соискание ученной степени доктора технических наук по специальности 01.04.14 -теплофизика и молекулярная физика, Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев, 1994. В работе содержатся результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния температуры, структурных характеристик моделей пористых Тел и капиллярно - попетых материалов, а также добавок неионогенных поверхностно - активных веществ на Интенсивность внутреннего массопереноса. Показана роль воздухо - и полупроницаемых оболочек в процессе испарения вода из одиночных капилляров и капиллярно - пористых материалов. Предложены способы управления процессами тепломассопереноса в твердых дисперсных материалах, использованные при создании конкретных высокоинтенсивных способов■сушки ряда материалов и тепломассообменных технологических линий. Осуществлено их промышленное внедрение. По теме диссертации автором опубликовано 63 печатных работы, получено 12 авторских свидетельств. Юшчов1 слова:

керування, внутр1шн1й тедломасоперенос. кап1лярно- порист! т!ла, енергоресурсозбер1гання, технолог!!.