Файл: Термодинамические основы интенсификации сушки строительных материалов и изделий [сборник]..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 31.10.2024
Просмотров: 36
Скачиваний: 0
Миннетерстви промышленности строительных материалов СССР
Министерство промышленности строительных материалов РСФСР
Уральский научно-исследовательский и проектный институт строительных материалов
УРАЛНИИСТРОМПРОЕКТ
Т Е Р М О Д И Н А М И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы И Н Т Е Н С И Ф И К А Ц И И С У Ш К И
С Т Р О И Т Е Л Ь Н Ы Х М А Т Е Р И А Л О В И И З Д Е Л И Й
Под редакцией
Л. Б. Цимерманиса
иЕ. Л. Высочанского
ЧЕЛЯБИНСК • 1974
Гос п бл и ч н ая |
| |
Hfn ■н з -т с х н и ч е с к а я |
|
Ск,б;1ио с-ка 1 ~£рг
ЭКЗЕМПЛЯР j
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА, J
> /Г
Интенсификация сушки — одна из наиболее актуальных проблем промышленности строитель ных материален. Особенно важно интенсифициро
А* вать сушку таких полуфабрикатов как кирпич глиняный, дренажные трубы, гипсовые изделия,
W |
/ J |
кусковой высокопрочный гипс. Например, только |
||||
in счет интенсификации сушки глиняного кирпича |
||||||
можно увеличить выпуск кирпича па |
существую |
|||||
|
|
щих предприятиях на 3,5 млрд, шт в год. |
|
|||
|
|
Настоящий сборник посвящен термодинами |
||||
|
|
ческому обоснованию повой технологии импуль |
||||
|
|
сно-вакуумной |
сушки |
строительных |
материалов |
|
|
|
и изделий. В нем рассматриваются необратимые |
||||
|
|
процессы переноса массы (влаги), тепла, энтро |
||||
|
|
пии, вводится энтропийный критерий интенсивно |
||||
|
|
сти и критерий равномерности сушки. Описывают |
||||
|
|
ся методы определения коэффициентов массопере- |
||||
|
|
носа вблизи п вдали от термодинамического рав |
||||
|
|
новесия. Значительное |
место отведено |
анализу |
||
|
|
неравномерного |
струкгурообразовапия |
изделий |
||
|
|
при сушке. Даются практические рекомендации по |
||||
|
|
интенсификации |
сушки |
строительных |
материален |
|
|
|
и изделий. |
|
|
|
|
Сборник иллюстрирован данными эксперимен тальных исследований по сушке керамических и гипсовых изделий.
Уральский научно-исследовательский и проектный институт строительных материалов (УРАЛНИИСТРОМПРОЕКТ), 1974.
Л. Б. ЦИМЕРМАНИС
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ОТКРЫТОЙ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ
Научной основой технологии сушки является теория массо- и энергопереноса [1, 2], которая базируется на термодинамике необратимых процессов. Последняя же рассматривает развитие термодинамической системы вблизи состояния равновесия и дает соотношения меж ду потоками и движущими силами в процессах переноса
в виде линейных феноменологических уравнений |
[3, 4, |
5, 6] |
|
Tk = 2 L klX, |
(1) |
1 |
|
Рассматриваемой при сушке открытой термодинами ческой системой является влажное тело. Ее термодина мические свойства определяются изменением энергии распределения влаги ДЕС в поле сорбционных сил тела, связанным с потенциалом массы 0 соотношением [7]
В = |
(2) |
а
Изменение сорбционной активности а (в зависимос ти от 0 при Т = const) коллоидных, коллоидных капил лярно-пористых тел подчиняется различным закономер ностям [7]. В процессе изменения степени увлажнения под действием внешних или внутренних стоков (источ ников) коллоидное или коллоидное капиллярно-порис тое тело превращается в типичное капиллярно-пористое тело (при сушке), или наоборот (при увлажнении). В дальнейшем такой процесс будем называть структурообразованием, а систему, в которой он протекает,— структурообразующей.
Рассмотрение процессов переноса при сушке в струк турообразующих системах (а к ним относятся большин ство строительных материалов: керамические, гипсовые и др.) необходимо проводить с учетом структурообразования.
3
Возрастание энтропии
На основании постулата о применимости фундамен тального уравнения Гиббса к необратимым процессам, протекающим вблизи термодинамического равновесия [3, 4, 5, 6] в системе с непостоянным объемом, обмени вающейся массой и энергией с окружающей средой, имеем:
TdS dE + PdV Hdni + Ad;. |
(3) |
Если в рассматриваемой системе помимо химических реакций протекают также процессы структурообразовання, то в фундаментальное уравнение необходимо ввес ти и количество воздействия — элементарную работу структурообразовання d \ \ \ .
Будем структурообразованпс |
характеризовать |
сте |
|
пенью завершенности ц |
и структурным сродством Z. |
||
Тогда |
|
|
(4) |
dW,, = Zdr„ |
|
||
а уравнение Гиббса принимает вид |
|
|
|
TdS dE -{- PdV |
Hdin -j |
Ad;-j-ZdT(. |
(5) |
Скорость возрастания энтропии
Из (5) получим следующее выражение для скорости возрастания энтропии:
_ d ^ _ J _ _ d E _ |
| |
_Р_ _dV _____ _Л_ _dj_ л _ |
1 _ |
Т', |
|
dx ~ Т dx |
' |
Т dx |
Т dx 1 |
Т |
dx 1 ~ Т 17’ ^' |
где соответствующие обобщенные скорости:
изменения энергии
изменения объема
изменения массы
. dm “ 17’
химической реакции
d* I; _ 17’
(1
(«)
(У)
(10)
4
структурообразования
и соответствующие этим скор' тям обобщенные термодинамические силы — тензора пулевого ранга (скаляры)
X, f
х«;= т -
Х‘ - Т -
х , - ф
Тогда скорость возрастания энтропии
~7 = Хи 1Е | XVIV-; XMIM X - I - + X , !..
или в общем виде
f0'- = s x kik.
(12)
‘(!■$) (1-1)
(13)
116)
(1")
(1R)
Феноменологические уравнения процессов переноса вблизи термодинамического равновесия
Если в рассматриваемой системе в изохорных усло виях 0 и Т являются функциями координаты X, то через плоскость, перпендикулярную оси X, проходят потоки
массы и энергии Тм и 1е- Они вызываются возникшими в системе (в результате ее взаимодействия с окружаю щей средой) термодинамическими движущими силами переноса [2, 3, 4].
|
Хм = |
vX „ - - - v (y ). |
(19) |
и |
Хе - |
v Xe = v (y -} |
(20) |
5
Эти силы являются векторными (тензоры первого ранга).
Тогда феноменологические уравнения соответствую
щих векторных потоков массы и энергии [2, |
3, 4]: |
|
||
Гм — " |
С|Ш„ у ^ J 1 |
L„,t. у 1 ^ j, |
|
(21) |
Г: = |
Г.,,, V (-j-J + |
Lt.,y (^-). |
(22) |
|
Если же в нашей системе протекает химическая ре акция и происходит процесс структурообразования, не взаимодействующие друг с другом, то скорости (скалярные потоки) этих процессов
Ь = — =-- L« — , |
(23) |
|
Щ |
" т |
|
j _. _Ф5. _ j |
eL |
(24) |
В том случае, когда химическая реакция и процесс структурообразования взаимодействует друг с другом, имеем:
Г- = Ь: — - - U — , |
|
||
- |
" т ■ '' |
т |
|
Г = L ■— л- L |
— |
• |
|
lv |
1 •*—'Г |
| ^ |
|
(25)
(26)
Здесь X; и Хт являются скалярными силами. По этому (согласно теореме Кюри) невозможно появление перекрестных эффектов от массо-энергопереноса, про цессов структурообразования, а также п новых движу щих сил массо- и энергопереноса.
Однако в процессе химических реакций и структуро образования меняются физические характеристики рас сматриваемой системы. Вследствие этого феноменологи ческие коэффициенты переноса Ln„n, Lmo, L,.,n. L„. при постоянных термодинамических силах (потенциалах) уже не могут быть величинами постоянными. Они ста новятся функциями степеней завершенности процессов структурообразования и химической реакции.
Степени завершенности химической реакции и струк турообразования влияют на величину градиентов темпе-
6
ратуры и потенциала массопереноса, ибо рассматривае мые процессы являются внутренними источниками (или стоками) массы и энергии, мощность которых меняется по координате. Поэтому, если в системе происходят од новременно процессы переноса массы, энергии, взаимо действующие процессы — структурообразованне и хими ческие реакции, то описывающие их феноменологичес кие уравнения составят следующую систему
1.м й. V |
L'lmll |
(?, fj) V |
“ } |
I-„ie ( ’ i fl) V |
,p |
(27) |
|
V: (Гr.) = |
L„K. (;, yj) A |
-|- |
Lee (;, у,) y ^ - . |
(28) |
|||
I' = |
1.Ц — |
-|- Lzr — , |
|
|
|
|
|
i |
T |
‘ |
T |
|
|
|
|
I ' — |
L |
L |
— |
|
|
|
|
Здесь запись |
I (;, r() и L (;, y,) |
обозначает, |
что поток |
||||
и феноменологический коэффициент зависят от степени завершенности химической реакции и структурообразования. Дуга сверху над символами £ и т] в скобках обозначает, что химическая реакция и структурообразо ванне — взаимодействующие процессы.
Если между процессами химической реакции и структурообразования нет взаимодействия, тогда имеем сле дующую систему феноменологических уравнений:
1м(:. Т,) = |
|
Lmni (’>fi) V |
j |
Eenl (?, У,) у , |
(29) |
||
|
|
|
T |
1» \ H |
+ |
Eee (^, 7|) V ~> |
(30) |
|
I,) — — E„1C(;, y() V — |
||||||
|
|
Л |
_ |
cli |
|
|
|
h = |
-T |
~ |
cIt ’ |
|
|
|
|
IГ, ===Etit( |
Z |
_ |
cIt) |
|
|
|
|
T |
_ |
dT ' |
|
|
|
||
Здесь отсутствие дуги над символами | и ц в скоб ках означает,, что химическая реакция и структурообразование — невзаимодействующие процессы.
В обеих системах мы имеем два уравнения потоков
7
переноса com ветств\ к н ц п х субстанций (массы |
и энер- |
пш) н два уравнения скоростей одновременно |
протека |
ющих в системе химической реакции п сгруктурообразовапня. Эти процессы между собой могут быть взаимо связаны (система I) или певзаимосвязаны (система 2). Нели в системе протекают только процессы структуро-
образовання, |
а |
химические |
реакции отсутствуют |
(d£ = |
|||||
- 0 ) , |
тогда |
сие гема |
феноменологических |
ура вненпй |
|||||
имеет следующий вид |
|
|
|
|
|
||||
|
1 |
|
|
L |
|
|
|
|
(31) |
|
‘ч О,) — |
,г.ш(■',) V “ --!-1-„..(-0 V д р |
|
||||||
11! |
1 |
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|
--L, и (Д) V — ' |
' ч, СО V |
, |
|
(32) |
||||
‘г: <>,) |
|
||||||||
|
I, |
|
/ |
йт, |
|
|
|
|
(33) |
|
!. ■ г |
йт |
|
|
|
|
|||
Здесь |
за> нсь |
К,, и |
L Yi) |
означает, |
что |
I и 1. |
завп- |
||
сит от |
степени |
завершенности струкгурообразования. |
|||||||
В вышеприведенных системах I, II и III феноменоло гические коэффициенты при термодинамических движу щих силах переноса массы и энергии являются функци ями степеней завершенности химической реакции с и струкгурообразования ц или только последней (систе ма III), но от движущих сил переноса массы и энергии не зависят.
Как показал детальный анализ линейных феномено логических уравнений, проведенный Р. Хаазе [б], тре бование независимости феноменологических коэффици ентов от обобщенных потоков (скоростей) и сил являет ся единственным, предъявляемым к этим коэффициен там для линейности феноменологических уравнений, описывающих процессы вблизи термодинамического равновесия. В работе [6] показано, что феноменологи ческие коэффициенты могут быть любыми функциями параметров состояния (обобщенных термодинамических сил Т, Р, 0 п г. д.) н величинами переменными. Из ис следований Р. Хаазе следует, что требование постоянст ва феноменологических коэффициентов, принятое ранее II. Пригожиным [3], не обязательно для сохранения ли нейности феноменологических уравнений и справедли вости соотношений Онзагера.
8