книги из ГПНТБ / Кавказов Ю.Л. Тепло- и массообмен в технологии кожи и обуви

Перенос же вещества выражается уравнением

Оба эти уравнения могут быть заменены зависимостью переноса тепла и массы от соответствующих потенциалов

Решение системы таких уравнений не всегда возможно, но нали­ чие их вместе с условиями однозначности позволяет использовать критериальные соотношения, приводящие к конечному решению их. Для этого необходимо определить основные коэффициенты переноса тепла и массы.

К о э ф ф и ц и е н ты переноса т е п л а и массы в е щ е с т в а

Помимо потенциалов переноса тепла и массы вещества для реше­ ния задач по переносу энергии нужны коэффициенты теплопровод­ ности, потенциалопроводности, теплообмена, тепло- и массоемкости и термоградиентный коэффициент.

Термические коэффициенты влажных тел определить трудно, так как перенос тепла в этих телах сопровождается и переносом массы. Основными требованиями к методам определения термических коэф­ фициентов являются кратковременность теплового воздействия, в те­ чение которого влажность материала не должна изменяться, и невы­ сокий градиент температуры. Стационарные методы определения коэффициента теплопроводности по величине плотности теплового потока и сравнительный метод определения относительного перепада температуры в исследуемом теле н эталоне таким требованиям не от­ вечают. Из нестационарных методов определения коэффициента теп­

дает хорошие результаты. Но по этому методу из одного опыта нельзя определить все термические коэффициенты, что очень важно для влажных материалов. Малые перепады температуры понижают точ­ ность эксперимента, а в том случае, когда критерий Лыкова Lit > 1, поле влажности будет опережать поле температур и стадии регуляр­ ного режима вообще не будет.

Другие нестационарные методы определения термических коэф­ фициентов также имеют ряд недостатков. Наиболее правильные и быстрые результаты дают методы одновременного определения тер­ мических и влажностных коэффициентов.

Методы определения коэффициентов переноса массы вещества также разделяются на стационарные и нестационарные. Одним из наиболее простых стационарных методов определения коэффи-

110

циентов влагопроводности и термоградиентного сводится к следую­ щему [64].

На рис. IV-4 изображена схема прибора В. И. Дубнпцкого для определения этих коэффициентов. В материале устанавливается стационарный поток тепла и влаги. Для определения коэффициента

120-220 В

JUVUV1 0

материалом, подводится влага из резервуара, в котором поддержи­ вается постоянный ее уровень. С открытого конца цилиндра влага испаряется. Весь прибор регулярно взвешивают. После достижения стационарного состояния (постоянного испарения влаги) плотность потока определяют по формуле

,Дм

где/— площадь сечения образца; скорость испарения влаги, кг/ч.

Исследуемый образец разделяют на равные части по ходу потока влаги / и в них определяют содержание влаги. Градиент влагосо-

Коэффициент влагопроводности рассчитывают из уравнения плот­ ности потока (IV-16), для чего необходимо знать плотность сухого вещества исследуемого материала. Если влага по ходу потока рас-

111

пределяется по прямой, то -рт- = const, следовательно, коэффициент влагопроводности не зависит от влажности материала, если распре-

методом графического дифференцирования, и коэффициент влагопро­ водности имеет локальное значение в зависимости от влагосодержанпя материала. Для определения термоградиентного коэффициента наряду с полем влажности в этом же приборе создают температурное поле, для чего у нижнего конца цилиндра с испытуемым материалом помещают нагреватель, а по высоте цилиндра на равных расстоя­ ниях — термопары.

Рис. IV-5. Схема прибора Н. Н. Бабьева

Температурный градиент, °С/м, подсчитывают обычным способом

При определении коэффициентов К и б в приборе можно определить

фильтровальную бумагу толщиной 1 см и определяют влажность ее. По полученным данным и определяются значения С" и 6. Полная характеристика влагопроводности исследуемого материала может

Коэффициент потенциалопроводности определяют по зависимости, аналогичной зависимости для определения коэффициента температу­

ропроводности К = а'у0 С", откуда а' = . YoL

Существует ряд нестационарных методов для совместного опре­ деления влажностных и термических коэффициентов, например, метод Н. Н. Бабьева [57]. На рис. IV-5 показана схема прибора для

112

определения термических коэффициентов и коэффициентов переноса влаги из одного опыта. Основной частью прибора служит стеклян­ ный цилиндр длиной 150 мм диаметром 25'мм, подвешенный к коро­ мыслу аналитических весов /. Расстояние между точками подвеса 140 мм равно расстоянию между призмами коромысла весов. Ци­ линдр 2 на 115 мм залит парафином 3, служащим эталоном, вместе с тем он изолирует один конец исследуемого материала от влаги. Остальную часть цилиндра 4 (35 мм) заполняют исследуемым мате­ риалом и закрывают его диском из медной фольги 5 толщиной 0,1 мм и диаметром 50 мм. Этот торец цилиндра нагревают лампой 6 инфра­ красного излучения. Медный диск служит влагоизолятором, вырав­ нивателем температуры по всей площади торца цилиндра и прегра­

циальный термостат. Опыт проводится следующим образом. Левый конец цилиндра заполняют исследуемым материалом, закрывают диском, и места соединения покрывают лаком. Цилиндр взвешивают и после этого включают лампу для обогревания, регистрируя начало опыта. Затем с помощью термопар / и / / регистрируют разность температур ( ^ — / 0 ) и (t.2— ^0 )- Имея такие данные, можно опре­ делить все термические коэффициенты. Расчетные формулы для этого образуются из решения задачи: ограниченный стержень (иссле­ дуемый материал) одним концом соприкасается с полуограниченным стержнем (парафином), второй конец ограниченного стержня нагре­

отдача с открытого конца стержня по сравнению с поглощаемым лучистым потоком ничтожно мала. Из решения этой задачи полу­

т " — в р е м я второго замера температуры, для которого отноше-

ИЗ

ние ierfc X находят из табл. IV-7.

Т а б л и ц а IV-7

Значение функции ierfc X

Полученные термические коэффициенты относятся к среднему значению температуры материала.

Коэффициенты переноса влаги К и 8 подсчитываются по фор­ мулам, приведенным на с. 82—83.

114

Г Л А В А V

П Р О Ц Е С С К О Н В Е К Т И В Н О Й С У Ш К И

это явление здесь носит несколько иной характер. При неизменном уровне жидкости, испаряющейся со свободной поверхности, процесс является стационарным, в то время как при высушивании твердых тел влагосодержанпе их непрерывно уменьшается, а температура обычно возрастает. Различие между испарением жидкости со сво­ бодной поверхности и сушкой этим не ограничивается. Если в первом случае имеется граница раздела только двух фаз: жидкой и газооб­ разной, то во втором имеется еще и третья фаза — твердое вещество.

При принятии основного термодинамического закона изменения энергии системы (см. с. 98) сделано допущение о неизменности твердого вещества при фазовых превращениях. В процессах сушки твердых тел в действительности этого сделать нельзя. Они претер­ певают изменения от механической деформации до глубоких химиче­ ских изменений, поэтому такой процесс надо рассматривать не только как теплофпзическое явление, но и как сложную технологическую операцию, в значительной степени влияющую на определенные свойства готовой продукции.

При высушивании кожи в ней возникает большое напряжение [651

возросшему сопротивлению структуры кожи. Жирование и про­ питка резко снижают напряжение, механические отделочные опе­ рации— повышают его. Готовая кожа, увлажненная и высушенная, сохраняет напряжение 7 кгс/см3 , а после снятия покрывной пленки — 25 кгс/см2 . Усадочные напряжения при высушивании кож для верха обуви хромового дубления в свободном состоянии значительно со­ кращают площадь их. Во избежание этого кожи во время сушки

116

Возникновение в высушиваемом материале градиентов влажности и температуры вызывает молярное движение жидкости и растворен­ ных в ней веществ к поверхности испарения.

В некоторых случаях вынос растворенных веществ на поверх­ ность жидкости полезен (крахмал), в большинстве же случаев (фрукты, овощи, кожа и др.) это явление.нежелательно.

В таких полидисперсных веществах как кожа, в которой основная масса капилляров сообщается между собой, испарение влаги про­ исходит преимущественно в наиболее тонких капиллярах, куда не всегда могут проникнуть растворенные вещества. По­ вышенная температура уси­ ливает окисление танидов, некоторых жирующих и на­ полняющих веществ, что то­ же влияет на свойства го­ товой кожи.

Наиболее важным в про­ цессе сушки кожи является завершение процесса дубле­ ния. Так, при хромовом дуб­ лении [67] фиксированные хромовые комплексы изменя­ ются вследствие координации ацпдогрупп, связанных в структуре кожи ноногенно; координации белковых гид­ роокислов и групп коллагена, имеющих основной характер; взаимодействия между смеж­ ными хромовыми комплекса­

ми в результате образования оловых мостиков. Количество связанных

фиксирует при высушивании кожи' увеличение количества связанныхне только танидов, но и нетанидов. Не остается без изменения и непродубленная часть белка. По данным А. Кюнтцеля [69] во время

,сушки необратимо изменяется непродубленная хромовыми солями часть кожи, что делает ее более гидрофобной.

При высушивании наряду с испарением влаги происходит де­ сорбция ее, явление дегидратации, нарушение осмотических и ка­ пиллярных связей. Все это требует дополнительной затраты тепловой энергии, составляющей значительную часть теплоты парообра­ зования.

Процессы сушки делятся на два вида: на протекающие при мяг­ ких режимах, при которых испарение происходит только с влажной

. 117

поверхности, и на высокоинтенсивную сушку, при которой парооб­ разование возникает и в массе жидкости.

При мягких режимах сушка протекает в два периода: первый характеризуется постоянной скоростью испарения влаги и неизмен­ ной температурой высушиваемого материала; второй — изменением скорости сушки и температуры материала. Протекание процесса сушки принято графически изображать кривыми сушки и температур­ ными кривыми (рис. V-2, V-3).

Для более четкого разграничения периодов сушки строят еще кривую скорости сушки. Для этого на кривую сушки наносят точки через равные расстояния, в которых определяют скорость сушки, и через каждую точку кривой сушки проводят касательную до пере­

скорости сушки имеют вид, показанный на рис. V-5. Основные осо­ бенности протекания сушки зависят от способа подвода тепла, не­ обходимого для испарения влаги, к поверхности испарения. Разли­ чают конвективный метод сушки нагретым газом, контактный метод сушки на нагретых поверхностях и радиационный метод сушки инфракрасными лучами и токами высокой частоты. В настоящее время широко распространяется комбинирование способов исполь­ зования тепла. В последнее время начинают использовать для высу­ шивания материалов акустическую энергию. Все эти методы имеют

сушкой характеризуется постоянной скоростью, несмотря на то что происходит непрерывная потеря влаги по линейному закону. Пар­ циальное давление пара в это время равно давлению насыщенного пара при температуре мокрого термометра.

Во втором периоде при достижении поверхностью материала влагосодержания, в ряде случаев соответствующего максимальному гигроскопическому состоянию, давление пара у поверхности ка­ пиллярно-пористого коллоидного тела будет зависеть от влажности его, изменяясь по изотерме десорбции. Несмотря на то что в этот период температура материала непрерывно растет, парциальное дав­ ление пара снижается, так как снижение влажности материала влияет сильнее, чем рост температуры. Внутри тела создаются градиенты температуры и влажности. Скорость сушки в этот период будет величиной переменной, зависящей от свойств и влагосодержания материала, режима сушки. В первый период интенсивность сушки должна быть равна интенсивности испарения влаги со свободной поверхности при тех же условиях, однако обычно для кожи она

119