Способ определения влаготермических характеристик твердых пористых материалов в процессе сушки

 

Изобретение откосится к измерительной технике и может быть использовано для определения коэффициентов теплового расширения и усадки твердых пористых материалов, например футеровки сталеразливочных ковшей , дерева, строительных материалов в процессе сушки с нагревом при разработке оптимальных режимов сушки. Цель изобретения состоит в обеспечении возможности точного определения как значений коэффициента теплового, расширения, так и значений коэффициента усадки материалов во всем диапазоне температуры и влагосодержания при сушке. Способ включает нагрев полного цилиндрического образца из исследуемого материала, измерение значений его температуры Tj, влажности U,- и деформации Е; прследовательными интервалами, величину каждого из которых выбирают из условия приблизительного постоянства в нем коэффициентов теплового расширения 0. и усадки /э,- которые затем рассчитывают для каждого интервала из двух уравнений для деформации, изме- )реняой в даух точках каждого интервала: Е; + ,4i o(d Т},. + + )f.,, где , и -Е t4i - значения деформации образца; л Т, и ЛТ ,Vt - изменения температуры; cJf и 4W ,- изменения его влагосодержания в двух точках i и i+1 интервала измерения (ij i+1); of- коэффициент теплового расширения; /i- коэффициент усадки. 5 ил. i (Л С ю сх со ф

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) (511 4 G 01 N 25/56

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3928974/31 -25 (22) 10.07.85 (46) 15.06.88. Бюл. Ф 22 (71) Киевский технологический ин" ститут легкой промышленности (72) П.П.Луцик и Б.П.Дроменко (53) 533.275(088.8) (56) Лыков А.В. Теория сушки.

М.: Энергия, 1 968, с. 47 1.

Казанский M.Ф., Верезомаская А.Л.

Исследование кинетики сжатия коллоидных капиллярно-пористых тел при сушке. — ИФЖ, !961, т. 4. Ф 10, с. 104-107. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОТЕРМИ- .

ЧЕСКИХ XAPAKTEPHCTHK ТВЕРДЫХ ПОРИСTblX МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ СУШКИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения коэффициентов теплового расширения и усадки твердых пористых материалов, напри" мер футеровки сталеразливочных ковшей, дерева, строительных материалов в процессе сушки с нагревом при разработке оптимальных режимов сушки.

Цель изобретения состоит в обеспечении возможности точного определения как значений коэффициента теплового, расширения, так и значений коэффициента усадки материалов во всем диапазоне температуры и влагосодержания при сушке. Способ включает нагрев полного цилиндрического образца из исследуемого материала, измерение значений его температуры Т;, влажности И; и деформации ; последовательными интервалами, величину каждого иэ которых выбирают из условия приблизительного постоянства в нем коэффициентов теплового расширения

0 ; и усадки р;, которые затем рассчитывают для каждого интервала из двух уравнений для деформации, изме" ренной в двух точках каждого интервала: Е; = Ы ь Т + /3 Л й;! Е;+, = о(д Т;+, +

+/du) +,, где E„ и Е (- значения деформации образца; д Т; и йТ; изменения температуры; d u) и йсо;„— изменения его влагосодержания в двух точках i и i+! интервала измерения (i i+1); u(— коэффициент теплового расширения; Д- коэффициент усадки.

5 ил.

1402899

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения характеристик нлаготермического деформирования: коэффициента теплового расширения и коэффициента усадки твердых капиллярно-пористых материалов, например огнеупорных, керамических, строительных материа" лов, кожи, древесины, картона, и мо- 10 жет быть использовано при разработке оптимальных режимов сушки твердых деформируемых материалов в ме; таллургии, строительстве, промышлен1 ности строительных материалов, деревообрабатывающей, целлюлозно"бумажной и легкой промышленности..

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности определения также и коэффициента теплового расширения.

Для определения как коэффициентов теплового расширения образца, так и коэффициентов его усадки про" 25 водят измерения деформации, влагосо-. держания и температуры образца, Последовательными интервалами, в которых можно принять постоянными значения обоих коэффициентов, что создает предпосылки для расчета зна" чений этих коэффициентов в каждом интервале из системы двух уравнений, составленных для деформаций в двух крайних точках интервала:

35

Е; = с(6 Т;+ 1ЬйЮ;

E; o(; ЙТ;+Д; 4Ы;

E;pi = <; ) Д Т;, + 1, дИ;, = Д Т;+„+/ 4 1;„ т.е. из системы двух уравнений, составленных для двух измеренных значений другого параметра, зависящего от обоих определяемых параметров.

Нагрев образца в процессе сушки 45 и определение значений его температуры, влагосодержания и деформации последовательными интервалами позволяет составить для каждого интервала два уравнения в крайних его точ- 50 ках, описывающих деформацию образца в каждой точке в зависимости от изменения температуры, влагосодержания образца и коэффициентов его усадки н теплового расширения: в которых Е< Р „,, nTi и nT;+, nod и п 4) являются известными (измеренными) параметрами, а o(и переменными определяемыми параметрами.

Выбор каждого интервала измерения из условия постоянства в нем o(и д, т ° е. c(; = I; » p1 = Д+,, позволяет свести эту систему уравнений к системе двух уравнений с двумя неизвестными: о и р . Это дает возможность рассчитать, исходя из указанных уравнений, значения коэффициентов теплового расширения Ы и усадки а образца для каждого интервала, 1 т, е. определить параметры влаготермического деформирования материала в процессе сушки с нагревом, определяющие деформацию образца, вызванные как его тепловым расширением в результате нагрева, так и его усадкой в результате уменьшения влагосодержания, что расширяет функциональные возможности способа.

На фиг. 1 представлены кривые изменения в процессе сушки температуры

Т(), влагосодержания ао(7) и относительной деформации E(7); на фиг. 2 — кривая зависимости коэффициента теплового расширения o(от температуры Т; на фиг, 3 — кривая зависимости коэффициента усадки д от влагосодержания у для образца из кварцитоглинистой массы МКГ-1, применяемой для изготовления монолитных футеровок сталераэливочных ковшей и других тепловых агрегатов (ТУ 14"8252"77); на фиг. 4 — функциональйая схема устройства, реализующего способ; на фиг. 5 - схема измерительного узла °

В процессе сушки образец из кварцитоглинистой массы МКГ-1 длиной

75 мм, внутренним диаметром 18.мм и наружным 24 мм с начальным влагосо- . держанием 8,97 нагревают от 22 до

120 С в течение одного часа, При этом кривые изменения его температуры T(9) влагосодержания ы () и относительной деформации в осевом направлении Е(9 ) имеют вид, представленный на фиг. 1.

Дпя расчета коэффициентов (и значения параметров образца Т, м) и в процессе сушки выбирают через оди-! наковые интервалы времени, равные

30 с. Коэффициенты теплового расшире1402899 ния Ы и усадки б образца определяют по формулам:

, 4 м- .,4<4„.

4Т; 4 Ы;+1-4Т;+„4 0 !+i 4Т C 4T +q

Кривые изменения коэффициента теп-1ð лового расширения в зависимости от температуры и коэффициента усадки в зависимости от влагосодержания представлены на фиг ° 2 и 3.

Иэ анализа этих кривых видно, что коэффициенты с(и р кварцитоглинистой массы в процессе сушки претерпевают существенные изменения, Коэффициент теплового расширения Ы в начале суш.ки.значителен и резко убывает от зна" 20 чения 5,6 10 до 05 1О К с повышением температуры Т от 22 до 40 С при небольшом уменьшении влагосодержания ы от 8,9 до 8,37. При дальнейшей сушке с повышением температуры

Т от 40 до 80 С и уменьшением влагосодержания от 8,3 до 1,37. коэффициент « изменяется незначительно. В конце сушки при удалении влаги гигроскопического состояния в микропорах Зр и адсорбированной на поверхности частиц глинистого минерала коэффициент теплового расширения возрастает до значения 3,1.-1 0 К . Коэффициент усадки р кварцитоглинистой массы в начальной стадии сушки резко повышается от значения 0,5 до 0,79 и затем резко падает до значения О,! при уменьшении влагосодержания !)от 8,9 до 8,3% и повышении температуры Т от 4р

22 до 40 С, В периоде постоянной скорости сушки в интервале влагосодержания д 8,3-1,3Х и температуры Т 4080 С коэффициент усадки сохраняет среднее значение 0,06 и в периоде 45 падающей скорости сушки возрастает до значения 0,4, Столь резкое возрастание коэффициента усадки в конце сушки приводит к тому, что интенсивность усадки преобладает над интенсивностью теплового расширения. Это обуславливает изменение знака суммар- ной деформации кварцитоглинистой массы: при влагосодержании м = 1,ЗХ и температуре Т = 80 С положительная

55 деформация термического расширения переходит в отрицательную усадочную деформацию (см, кривую E(f) на фиг. 1).

Устройство для реализации спосо ба (фиг. 4 и 5) содержит датчик деформации в виде цилиндрического конденсатора с центральным базовым стержнем 2 и неподвижными пластинами 3, зафиксированную на стержне 2 пла1форму 4, на которой через электроиэоляционную прокладку 5 установлен образец 6 из исследуемого материала, размещенные на верхнем торце образца 6 подвижные пластины 7 конденсатора, датчик 8 температуры образца 6 в виде проволочного термореэистора, намотанного на цилиндрическую втулку иэ фторопласта, закрепленную на стержне 2, нагреватель 9 с регулятором 10 температуры и регистрирующий прибор 1!, например пишущий потенциометр КСП-4, Измерительный узел с датчиками 1 деформации и температуры 8 размещен в термо" статируемой камере 12 и подвешен к плечу 13 коромысла аналитических весов, например АДВ-200, являющихся датчиком массы образца б. Второе плечо 14 коромысла связано с электромагнитом 15. Весы содержат призму 16 для установки указанного коромысла, закрепленное на последнем зеркало 17, источник 18 света, фоторезистор 19 и пропорциональный регу лятор 20 положения коромысла °

Датчик 1 деформации соединен с регистрирующим прибором 11 через преобразователь 21 емкости в напряжение.

Датчик 8 температуры образца 6 связан с регистрирующим прибором !1 через неуравновешенный мост 22 постоянного тока.

Электромагнит 15 связан через резистор 23 с масштабирующим преобразователем 24, который, в свою очередь, подсоединен к регистрирующему прибору 11. Стержень 2 и неподвижные пластины 3 конденсатора изготовлены как одно целое из инвара марки

36 НКД, обладающего очень низким коэффициентом теплового расширения (1 10 К ). Подвижные пластины 7 и платформа 4 изготовлены из того же материала.

Датчик 8 температуры выполнен.в виде проволочного термореэистора, например иэ меди или никеля, камо" танного на цилиндрическую втулку иэ фторопласта, закрепленную на стержне 2.

1402899

В камере 12 установлен также датчик 25 температуры в виде проволочного терморезистора, связанного с регулятором !О температуры, например типа Ф-303.

Устройство работает следующим образом.

Образец 6, спрессованный из увлажненного материала, в виде полого цилиндра длиной 75-80 мм, внутренним диаметром 15-17 мм и наружным диаметром 21-23 мм устанавливают на платформу 4 через слюдяную прокладку 5.

Йа верхнем торце образца 6 размещают подвижные пластины 7 конденсатора, Платформу 4 с образцом 6 и пластина" ми 3 надевают на стержень ? таким с!браэом, чтобы подвижные пластины 7 были размещены между неподвижными пластинами 3 конденсатора, а между внутренней поверхностью образца 6 и датчиком 8 температуры был зазор порядка !-1,5 мм, и закрепляют платформу 4 на стержне 2.

Измерительный узел с образцом 6 и датчиками 1 и 8 подвешивают к плечу 13 коромысла весов. Датчики и 8 соединены с измерительной аппаратурой малоинерционными подвесами (медными отожженными проволоками диаметрФм 0,05 MM).

Включают нагреватель 9. Темпера" тура в камере 12 повышается, благодаря чему происходит нагрев образца

6, в процессе которого из него испаряется влага и происходит влаготермич ское деформирование образца 6. Регистрирующий прибор 11 записывает на диаграммной ленте кривые кинетикй сушки образца; текущие значения температуры образца 6, его влагосодержания и линейной деформации в осевом направлении.

В процессе сушки угол поворота коромысла весов, вызванный убылью впаги, преобразуется в фотоэлектри- . ческий сигнал фоторезистором 19.

Равновесное положение коромысла весов поддерживается автоматически регулятором 20, входных звеном которого является фоторезистор 19. При этом уменьшение массы образца 6 ли" нежно связано с уменьшением тока электромагнита 15 и, следовательно, с уменьшением напряжения на резисторе 23. Это напряжение через масштабирующий преобразователь 24 подается . на один из входов регистрирующего

1О !

50 прибора 1! Масштабирующим преобра- зователем 24 задают чувствительность измерения массы и периодически переводят печатающую каретку регистрирующего прибора 11 в начало шкалы, Определение коэффициентов теплового расширения I и усадки р образца 6 на основании полученных кривых осуществляют как описано выше.

Таким образом, осуществление cymки образца с нагревом, регистрация в процессе сушки текущих значений деформации, влагосодержания и температуры образца, последовательное фиксирование при двух близких значениях температуры образца, его влажности и деформации и определение иэ уравнений, описывающих зависимость деформации образца от его влагосодержания и температурь!, коэффициентов теплового .расширения и. усадки при различных температурах расширяет функциональные возможности способа вследствие обеспечения возможности определения значений обоих указанных коэффициентов, Это позволяет построить зависимости коэффициентов от температуры и влагосодержания материала и на основании их разработать оптимальные ðåжимы сушки различных материалов с различной исходной влажностью. Выбор оптимальных режимов сушки позволяет исключить. образование и распространение трещин в материале в процессе сушки, т.е. разрушение материала.

Например, при сушке кварцитоглинистой массы наибольшая опасность образования трещин возникает в начальной стадии прогрева и в конце сушки, когда коэффициенты теплового расширения и усадки достигают больших значений. Поскольку тепловое расширение и усадка действуют в противоположных направлениях, то в материале возникают внутренние напряжения, составляющие величину, равную 0,475 ИПа при влагосодержании,8,5% и 0,707 ИПа при влагосодержании 1,5%, что превьппа ет предел прочности кв арцитогли- . нистбй массы, равньпЪ при указанных значениях влагосодержания соответственно 0,312 и 0,564 MIa, в результате чего материал растрескивается.

Предлагаемый способ позволяет

1 определить зависимости коэффициентов .3 теплового расширения и усадки от температуры и влагосодержания. Рас!

402899 полагая этими данными, можно выбрать такой режим сушки, при котором внутренние напряжения будут ограничены величиной, не превышающей предела

5 прочности материала, т.е. можно осу:ществить оптимизацию процесса сушки по параметрам прочности материала.

Формула изобретения

Способ определения влаготермических характеристик твердых пористых материалов в процессе сушки, заключающийся в измерении текущих значений деформации и влагосодержания образца исследуемого материала и определении по ним текущих значений коэффициента усадки, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью расши" рения функциональных возможностей путем обеспечения возможности определения также и.коэффициента теплового расширения, образец в процессе сушки нагревают, одновременно с деформацией и влагосодержанием образ- .25 ца измеряют текущие значения его температуры, рассчитывают текуише значения коэффициента теплового расширения по двум уравнениям деформации для смежных временных моментов измерения где Е; и Е;„— текущие значения деформации; д Т; ийТ; — изменения температуPbJ дСо,.и d о>; - изменения влагосодержания образца; (. и о(;+, — значение коэффициен" та линейного расширения; и р;„ — значение усадки образца в моменты измел рения i и i+1, причем интервал между моментами измерения i и i+1 .выбирают иэ условия приближенного равенства е(; = c(;+, н 5; А 1+) J 402899

i 402899

Составитель А, Платова

Редактор М. Бандура Техред А.Кравчук Корректор В. Бутяга

Заказ 2849/32 Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4