Осаждение частиц взвесей в воде

ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ
УДК 532 : 69.002.5
Осаждение частиц взвесей в воде
Великанов Николай Леонидович,
д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой
технологии транспортных процессов и сервиса
Балтийского федерального университета
им. И. Канта
E-mail: monolit8@yandex.ru;
Наумов Владимир Аркадьевич,
д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой
водных ресурсов и водопользования ФГОУ
ВПО «Калининградский государственный
технический университет»
PRECIPITATION OF SOLIDPARTICLES OF
SLURRY IN WATER
Nikolay I. Velikanov,
D. Sc. (Eng), Professor, Head of transport processes
and technology service Immanuel Kant Baltic Federal
University
Vladimir A. Naumov,
D. Sc. (Eng), Professor, Head of the Department
of Water Resources and Water HPE «Kaliningrad State
Technical University»
Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, Л.В. Примак. Осаждение частиц взвесей в воде
E-mail: van-old@rambler.ru.
44
Примак Леонид Витальевич,
д-р техн. наук, проф., член экспертного совета
Комитета по строительству и земельным
отношениям Государственной Думы РФ,
президент фонда «Зеленая экономика»
Leonid V. Primak,
D. Sc. (Eng), Professor, member of the advisory
board of the Committee on Construction and Land
Relations of the State Duma of the Russian Federation,
President of the «Green Economy»
Рассмотрены поблемы определения скорости осаждения несферических твердых частиц
взвесей в воде. Предложены эмпирические зависимости, позволяющие проводить расчеты с
достаточной в инженерных расчетах точностью.
Problems of definition of precipitation velocity
of not spherical solid particles of slurry in water are
considered. The empirical dependences, allowing
to carry out calculations with sufficient accuracy
in engineering calculations are offered.
Ключевые слова: осаждение, взвеси, частица,
коэффициент гидродинамического сопротивления.
Keywords: precipitation, slurry, solid particle,
hydrodynamic coefficient.
Определение гидродинамического сопротивления твердых частиц взвесей в воде является
актуальной задачей как для расчета и проектирования систем водозабора и водоотведения, так и
определения характеристик строительных машин
и механизмов, работающих с бетоном, пульпой,
водосодержащими смесями.
Речные взвеси – это минеральные и органические
вещества, переносимые рекой во взвешенном состоянии. Количество взвешенного вещества в речной
воде или мутность меняется от долей до десятков
тысяч миллиграммов в 1 дм3 воды. Минимальная
мутность (менее 50 мг/ дм3) наблюдается в реках
тундры и тайги, в лесостепной зоне она увеличивается до 50–150 мг/дм3, в степной и полупустынной
зонах – 150–500 мг/дм3, в горных районах – более
500 мг/дм3. В гранулометрическом составе речных
взвесей преобладают пелитовые фракции – 67 %, в
меньшей мере представлены песчано-алевритовые –
26,4 % и грубообломочные – 6,6 %. Минеральный
состав взвесей тесно связан с гранулометрическим.
В более крупных фракциях преобладают кварц,
кальцит, полевые шпаты, реже встречаются рудные
минералы, силикаты. Мелкие фракции сложены
в основном глинистыми минералами: иллитом,
хлоритом, монтмориллонитом, каолинитом [1–12].
Концентрация химических элементов во взвешенном веществе рек зависит от их минерало-
гического и гранулометрического состава, пород
и почв, климата и рельефа речного бассейна. По
содержанию основных компонентов взвеси занимают промежуточное положение между осадочными
породами и почвами, что позволяет рассматривать
их как источники взвешенного вещества в воде
рек. Речные взвеси по сравнению с осадочными
породами и почвами заметно обогащены кадмием,
серебром, свинцом, цинком, медью, в меньшей
мере – молибденом, железом, марганцем и обеднены стронцием.
По формам нахождения во взвешенном веществе рек элементы подразделяются на две основные группы – подвижные и неподвижные. Подвижные формы элементов входят в сорбированный
комплекс, гидроокислы железа и марганца, легкорастворимые карбонаты, органическое вещество и
при изменении условий могут переходить в растворенное состояние. Элементы неподвижной формы
находятся в кристаллических решетках минералов
и в раствор практически не переходят. В речных
взвесях преобладают формы элементов, входящие
в гидроокислы железа и марганца и в кристаллические решетки силикатов. Подчиненное значение
имеют органические и поверхностно-сорбированные формы [1–12].
В озерной воде также имеются механические
взвеси. Чаще всего это тонкие глийистые и пыле-
Mechanization of Construction
© Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, Л.В. Примак, 2013
Механизация
строительства
№ 7 (829) — 2013
ENGINEERING CALCULATIONS
Время
осаждения
взвешенных
частиц
на глубину
1м
Диаметр
взвешенных
минеральных
частиц,
мкм
Скорость
осаждения
в воде
при 10 °С,
мм/с
1000
100
10 с
100
8
2 мин
10
1,154
2ч
1
0,00154
7 сут
0,1
0,0000154
2 года
№ 7 (829) — 2013
Mechanization
of Construction
При строительных работах механическая очистка
воды производится отстаиванием, фильтрованием.
Кроме типовых очистных сооружений различной
производительности, требующих, как правило, специализированных работ по монтажу и эксплуатации,
возможно применение простейших сооружений,
доступных для дорожно-строительных организаций.
Отстаивание обычно производят в периодически
очищаемых от осадка емкостях или водоемах.
Скорость и время осаждения взвешенных частиц
приведены в таблице [5].
За 1–2 суток содержание в воде минеральных
взвешенных частиц уменьшается на 80–90 %, т.е.
до 50–200 мг/л. При очистке воды в отстойниках
удаление всплывающих загрязнений (в том числе
нефтепродуктов) следует производить специальными устройствами.
Размер мелких частиц при изучении гранулометрического состава речных наносов определяют
по экспериментально найденной гидравлической
крупности W [4].
Частица разгоняется до установившейся скорости осаждения, когда сила гидродинамического
сопротивления сравнивается с силой тяжести за
вычетом силы Архимеда
G – FA = Fμ.
(1)
Левая часть этого уравнения для сферической
частицы диаметром δ может быть вычислена по
формуле
G − FA =
ρ
πδ3
ρ ⋅ g ⋅ (1− λ ), λ = f
6 p
ρp
,
(2)
где g – ускорение свободного падения, м/с2; ρp,
ρf – плотность частицы и жидкости (воды) соответственно, кг/м3.
Сила гидродинамического сопротивления, действующая в вязкой среде на сферическую частицу,
вычисляется по формуле
Fμ = 0,5 ⋅ CR ⋅ SM ⋅ρf ⋅ W2 ,
(3)
где SМ – площадь наибольшего сечения частицы,
перпендикулярного вектору скорости, м2, для сферической частицы SМ = 0,25πδ2; CR – коэффициент
гидродинамического сопротивления, δ – диаметр.
В простейшем случае равномерного обтекания единичной гладкой сферической частицы неограниченным ламинарным потоком несжимаемой
изотермической жидкости коэффициент сопротивления C является однозначной функцией числа
Рейнольдса Re = Wδ/ν, где ν – коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2/с. Функцию CRo
(Re) для этих условий называют стандартной кривой
сопротивления. Известно [5–6], что стандартную
кривую сопротивления сферической частицы хорошо описывают зависимости
Nikolay I. Velikanov, Vladimir A. Naumov, Leonid V. Primak. Precipitation of solidparticles of slurry in water
ватые частицы, приносимые в озеро текучей водой,
подземными водами (окислы железа) или ветром.
Очень много, особенно в воде пресных озер, органических (гуминовых) веществ, связанных с широким развитием водорослей, мелких планктонных
организмов. Для органических и неорганических
взвесей в озерной воде характерна климатическая
сезонность. Весной, летом и осенью резко увеличивается количество органических веществ; количество минеральных взвесей увеличивается весной.
При исследовании процесса осаждения взвеси
возникают трудности, так как это явление крайне
сложно. На характер осаждения частиц взвеси влияют их размер и форма, наличие и режим движения
осветляемой воды и ее вязкость (изменяющаяся
с температурой). Встречаемые в практике мутные
воды всегда представляют собой полидисперсную
систему, т.е. содержат частицы различных размеров, а также различных форм.
Скорость выпадения частицы в стоячей воде
при температуре 10 °С называют, как известно,
гидравлической крупностью частицы. Величина частицы любой формы может быть условно выражена
через теоретический (эквивалентный) диаметр.
Эквивалентным диаметром называется диаметр
такой шарообразной частицы, которая имеет ту же
гидравлическую крупность, что и данная частица
произвольной формы.
Обычно при осаждении взвеси приходится иметь
дело с полидисперсной взвесью с большим диапазоном размеров частиц, характеристики осаждения
такой взвеси получают эмпирическим путем.
Граница применимости линейного закона определяется критическим значением числа Рейнольдса, равным 1.
Для предварительных расчетов можно принимать плотность частиц песка 2650–2700 кг/м3.
Для частиц песка при температуре воды t = 10 °С
критическое значение числа Рейнольдса соответствует размеру частиц 0,12 мм и скорости осаждения 1,1 см/с. Для рыхлых хлопьев, имеющих в 2,5
раза меньшую плотность плотность (по сравнению
с плотностью частиц песка) при той же температуре воды, критическое значение числа Рейнольдса
соответствует размеру частиц 1,2 мм и скорости
осаждения 0,11 см/с.
o
R
(
)
⎧ 24
1+ 0,179 Re + 0,013Re при
⎪
CRo = ⎨ Re
⎪⎩0,44 при 1478 ≤ Re < 2 ⋅105
http://ms.enjournal.net/
Re < 1478
.
(4)
E-mail: MS@primak.su
45
ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ
Тогда установившаяся скорость осаждения может быть найдена из нелинейного уравнения,
в общем случае не имеющего аналитического
решения
W=
4g(1− λ)
.
3δλ ⋅ CRo ( Wδ / ν)
(5)
В квадратичной области сопротивления
CRo = 0,44 = const, из (5) следует
gδ(1− λ)
(6)
.
0,33λ
В линейной области сопротивления (Re < 1) из
(5) следует известная формула Стокса
g(1− λ)δ2
W1 =
.
(7)
18νλ
В переходной области сопротивления значение
W3 находится с помощью численного решения уравнения (5). Решение во всех областях сопротивления
при 15 °C и плотности частиц ρp = 2650 кг/м3 показано на рис. 1.
На практике условия обтекания частиц могут
существенно отличаться от идеализированных
условий, в которых применима стандартная кривая
сопротивления. Некоторые авторы не принимают
это во внимание, пользуются формулами (5)–(7) и
графиком на рис. 1 для несферических частиц [3],
что может привести к серьезным ошибкам расчета.
Многочисленные опыты [7] показали, что для
твердых частиц неправильной формы сопротивление по сравнению с шарообразными частицами
равного объема. Конечно, гидродинамическое сопротивление отдельной несферической частицы
может быть и меньше, чем у шарообразной частицы. Например, если вытянутая частица движется
поступательно по направлению своей длинной
оси. Однако исследователей интересуют массовые явления, при которых положение частицы неправильной формы по отношению к направлению
поступательного движения является случайным.
Для учета несферичности частиц используется
геометрический коэффициент формы ξ = S/S0,
S0 = (36πV2)1/3, где S, V – площадь поверхности и
объем произвольной частицы; S0 – площадь поверхности сферической частицы равного объема.
Влияние несферичности на значение коэффициента гидродинамического сопротивления, как и в
Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, Л.В. Примак. Осаждение частиц взвесей в воде
W3 =
46
Рис. 1. Зависимость гидравлической крупности
W сферических частиц от их диаметра δ
http://ms.enjournal.net/
ISSN 0025-8903
[5–7], будем учитывать с помощью динамического
коэффициента формы Г
СR = Γ ⋅ CRo .
(8)
Установлено [6, 7], что в общем случае динамический коэффициент формы зависит от геометрического коэффициента формы частицы и
числа Рейнольдса. В монографии З.Р. Горбиса
[7] показано, что в первой (линейной) области
сопротивления значения Г зависит только от ξ.
Приведены формула (9) Чоухдерна и Фрица (в [7]
знаменатель ошибочно содержит знак «плюс», а
не «минус») и формула (10), которую предложили
Петтиджон и Христиансен
Γ1(ξ) =
1
, k = 0,862;
1− k ⋅ lg ξ
(9)
−1
⎛
⎛
1 ⎞⎞
(10)
Γ1(ξ) = ⎜ 0,843 ⋅ lg ⎜
.
⎝ 0,065 ⋅ξ ⎟⎠ ⎟⎠
⎝
Вахрушев И.А. в [8] исследовал влияние формы
правильных многогранников на коэффициент гидродинамического сопротивления. Из полученных
в [8] громоздких зависимостей при малых числах
Рейнольдса следует формула
−1
⎛
⎛ 15,38 ⎞ ⎞
Γ1(ξ) = ⎜ 0,842 ⋅ lg ⎜
.
⎝ ξ ⎟⎠ ⎟⎠
⎝
(11)
Формулы (10) и (11) после несложных преобразований приводятся к виду (9), только коэффициент
k будет равен 0,843 и 0,842, соответственно.
Связь динамического и геометрического коэффициента формы частицы в линейной области
сопротивления можно представить в следующем
виде:
Γ1(ξ) = 1+ 0,348 ⋅ (ξ − 1).
(12)
Все три формулы (9)–(11) в диапазоне 1 < ξ < 2
дают результаты, менее чем на 1 % отличающиеся
от простой зависимости (12) (рис. 2), которую можно рекомендовать для использования в линейной
области сопротивления.
Найдем значение динамического коэффициента
формы частиц по известным шкалам гидравличе-
Рис. 2. Связь динамического и геометрического
коэффициента формы частицы в линейной области сопротивления (Re < 1). Линии – результаты расчета по формулам (9)–(11), точки – по
формуле (12)
Механизация
строительства
№ 7 (829) — 2013
ENGINEERING CALCULATIONS
0,5 ⋅ CRo (Re0 ) ⋅ SM ⋅ρf ⋅ W02 = 0,5 ⋅Γ (ζ,Re)⋅CRo (Re) ⋅ SM ⋅ρf ⋅ W2 . (13)
Рис. 4. Зависимость динамического коэффициента формы Г от числа Рейнольдса Re частицы в
линейной области сопротивления (точки – опытные данные: 1 – [9]; 2 – [10]; 3 – [11]; 4 – [4,12])
Из (13) получаем динамический коэффициент
формы частиц
Γ (ζ,Re) =
CRo (Re0 ) ⋅ W02
CRo (Re ) ⋅ W2
.
(14)
В (14) для каждого размера частиц установившуюся скорость осаждения W0 при сферической
форме рассчитываем по теоретическим формулам
(5)–(7), при несферической форме – W берем из
вышеуказанных опытных данных (15 °С). На рис. 4
представлены результаты расчета динамического
коэффициента формы частиц в линейной области
сопротивления. Расчет по опытным данным [4], и
особенно [11], приводит к неравенству Г < 1, что
может получиться из-за погрешностей при измерении скоростей осаждения мелких частиц.
Расчеты по опытным данным [9,10] не противоречат гипотезе [7]: в линейной области сопротивления динамический коэффициент формы не зависит
от числа Рейнольдса. По точкам 2 [10] среднее
значение Г1 = 1,15, что в согласно формуле соответствует геометрическому коэффициенту формы
ξ = 1,43. В [7] приводятся данные нескольких
авторов, полагающих геометрический коэффициент формы частиц зернистого (неокатанного)
песка равным ξ = 1,5, что близко к полученному
результату. Расчет по точкам 1 [9] дает среднее
значение Г1 = 1,32; ξ =1,92. Последнее значение
представляется завышенным для обычных речных
наносов. Известно, что песчинки могут быть самой
разнообразной формы [13] и, возможно, авторы
данных, приведенных по гидравлической крупности
в [9], использовали именно такой песок.
Nikolay I. Velikanov, Vladimir A. Naumov, Leonid V. Primak. Precipitation of solidparticles of slurry in water
ской крупности частиц (песка), представленным
на рис. 3:
1 – таблица В.Н. Гончарова, приведенная в
справочнике [9];
2 – таблица лаборатории наносов Государственного гидрологического института (ГГИ), авторы –
В.В. Архангельский, А.П. Зегжда, Г.Н. Лапшин, В.В.
Романовский, взята из [10];
3 – Наставление гидрометеорологическим станциям и постам, 1957 г. (старая шкала ГГИ), по
данным [11];
4 – Наставление гидрометеорологическим станциям и постам, 1978 г. [4] и действующая редакция [12].
Заметим, что на рис. 3 точки 4 лежат несколько выше штриховой линии, а точки 3 – заметно
выше. Это означает, что скорости установившегося
осаждения несферических частиц оказались выше
скоростей сферических частиц равного объема.
Такой результат мог получиться, если в опытах
был нарушен случайный характер ориентации несферических частиц. Например, движение вытянутых частиц при осаждении происходило вдоль
большой оси.
Так как рассматриваются частицы равного объема (и массы), в уравнении (1) левые части одинаковы при любой форме частиц. Тогда будут равны
и правые части. Приравняем силы гидродинамического сопротивления для сферической и несферической частицы, причем характерную площадь SM
оставляем такой же, как у сферической частицы,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Рис. 3. Зависимость гидравлической крупности
частиц песка от их диаметра в линейной области
сопротивления (точки – опытные данные: 1 – [9];
2 – [10]; 3 – [11]; 4 – [4,12]; штриховая линия –
результат расчета по зависимостям (5)–(7) при
15 °C и плотности частиц ρp = 2650 кг/м3)
№ 7 (829) — 2013
Mechanization
of Construction
1. Великанов Н.Л. Моделирование осаждения
твердых частиц в пульпопроводе / Н.Л. Великанов,
В.А. Наумов, А.С. Космодамианский, М.Н. Великанова
// Наука и техника транспорта. 2011. № 2. С. 69–78.
2. Кузнецов Е.В. Гидравлический расчет открытых
русел и гидротехнических сооружений: Учебное пособие / Е.В. Кузнецов, А.Е. Хаджиди, С.Ю. Орленко.
Краснодар: Кубанский гос. аграрный университет,
2009. 74 с.
3. Дроздов Е.В. Расчет гидравлической крупно-
http://ms.enjournal.net/
E-mail: MS@primak.su
47
ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ
Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, Л.В. Примак. Осаждение частиц взвесей в воде
сти частиц загрязнений сточных вод / Е.В. Дроздов,
И.В. Журавлева // Научный вестник Воронежского
гос. архитектурно-строительного университета, 2009.
№ 2. С. 29–35.
3. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. – Вып. 6, Ч. 1. – Гидрологические
наблюдения и работы на больших и средних реках /
Под ред. О.Н. Потаповой. Л.: Гидрометеоиздат,1978.
384 с.
4. Шрайбер А.А. Турбулентные течения газовзвеси / А.А. Шрайбер, Л.Б. Гавин, В.А. Наумов, В.П.
Яценко. – Киев: Наукова думка, 1987. 240 с.
5. Методические рекомендации по охране окружающей среды при строительстве и реконструкции
автомобильных дорог / Союздорнии. М., 1999. – 80 с.
6. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков / З.Р. Горбис. М.: Энергия,
1970. 424 с.
48
7. Вахрушев И.А. Общее уравнение для коэффициента лобового сопротивления частиц различной
изометрической формы при относительном движении
в безграничной среде / И.А. Вахрушев // Химическая
промышленность. 1965. № 8. С. 54–57.
8. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим
расчетам / П.Г. Киселев, А.Д. Альтшуль, Н.В. Данильченко и др. М.: Энергия, 1972. 312 с.
9. Караушев А.В. Речная гидравлика / А.В. Караушев. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 416 с.
10. Шамов Г.И. Речные наносы / Г.И. Шамов. Л.:
Гидрометеоиздат, 1959. 381 с.
11. Правила проведения гидрологических наблюдений и работ. Технический кодекс устоявшейся
практики ТКП 17.10-08/1-2008 . Минск: Минприроды,
2008. 328 с.
12. Greenberg G. A grain of sand: Nature’s secret
wonders / G. Greenberg. – Voyageur press, 2008. 112 p.
ЗАО «СТЭК»
ЗАО «Санкт-Петербургская техническая экспертная компания»
Сертификация грузоподъемных и строительных машин,
регистрация деклараций о соответствии
по техническим регламентам Таможенного союза.
Экспертиза оборудования,
используемого на опасных производственных объектах,
обследование зданий и сооружений, подготовка лицензионных документов.
Комплексное сопровождение документации на оборудование строящихся
энергетических объектов (сертификаты, паспорта и др.) – Няганская ГРЭС,
Троицкая ГРЭС, Краснодарская ТЭЦ, ТЭЦ-16 Мосэнерго и др.
191028, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Моховая, д.18, пом. 14Н, лит. А
Контактные данные: тел: (812) 275-64-81, факс: (812) 579-43-39,
e-mail: info@spb-stec.ru, сайт: http://www.spb-stec.ru
http://ms.enjournal.net/
ISSN 0025-8903
Механизация
строительства
№ 7 (829) — 2013
RESEARCHES
Экспериментально-расчетное определение объемной
теплоемкости сыпучего дисперсного материала
на примере фрезерного торфа калориметрическим методом
Павлов Михаил Васильевич,
ст. преподаватель кафедры
«Теплогазоснабжение и вентиляция»,
Вологодский государственный технический
университет
EXPERIMENTAL-CALCULATING DEFINITION
OF THE SPECIFIC VOLUMETRIC HEAT CAPACITY
OF THE LOOSE DISPERSE MATERIAL ON THE
EXAMPLE OF MILLING PEAT WITH THE HELP OF
THE CALORIMETRIC METHOD
E-mail: pavlov_kaftgv@mail.ru
Mikhail V. Pavlov,
senior lecturer of chair «Heat and gas supply and
ventilation» of the faculty of civil engineering
Vologda State Technical University
Карпов Денис Фёдорович,
ст. преподаватель кафедры «Теплогазоснабжение
и вентиляция», Вологодский государственный
Denis F. Karpov,
senior lecturer of chair «Heat and gas supply and
ventilation» of the faculty of civil engineering
технический университет
E-mail: karpov_denis_85@mail.ru
Корюкин Станислав Иванович,
доц. кафедры «Теплогазоснабжение и
вентиляция» инженерно-строительного
факультета, Вологодский государственный
технический университет
Stanislav I. Koryukin,
Cand. of tech. sc. of chair «Heat and gas supply
and ventilation» of the faculty of civil engineering
Vologda State Technical University
Выполнен литературный обзор классических
способов определения удельной теплоемкости
дисперсных материалов. На базе существующих
устройств с учетом их достоинств и недостатков
разработан собственный калориметр, описание
которого приведено в настоящей работе. Осуществлена апробация заявленного прибора на
примере скелета фрезерного торфа. Результаты
определения теплоемкости сухой массы торфяной
почвы, полученные по авторской методике, сопоставлены с данными других авторов.
The literary review of classical ways of definition
of a specific volumetric heat capacity of disperse
materials is executed. On the basis of existing
devices taking into account their merits and
demerits own calorimeter which description is
resulted in the present to work is developed.
Approbation of the declared device on an example
of a skeleton of milling peat is carried out. Results
of definition of a heat of dry weight of the peat soil,
received by an author’s technique, are compared
with data of other authors.
Ключевые слова: сыпучий дисперсный материал, фрезерный торф, удельная объемная
теплоемкость, калориметр, тепловой баланс,
изолированная система.
Keywords: a loose dispersed material, milling
peat, a specific volumetric heat capacity, a
calorimeter, the thermal balance, the isolated
system.
Mechanization of Construction
Обычно под понятием «дисперсный материал»
понимают систему, состоящую не менее чем из двух
фаз, разделенных сильно развитой поверхностью.
При этом одна из фаз распределена в виде частиц
весьма малых размеров в другой фазе вещества.
Существуют две основные группы дисперсных
материалов:
1) значимые в техническом отношении вещества
зернистой, ячеистой и волокнистой структуры,
которые широко применяются в теплоэнергетике,
грунтоведении, угольной, пищевой, строительной
промышленности и вообще в подавляющем большинстве инженерных отраслей, а также огромное
количество бытовых и природных порошкообразных
материалов;
2) материалы твердой структуры, диэлектрические кристаллы, полупроводники, интерметаллические сплавы, окислы материалов, ке-
№ 7 (829) — 2013
Mechanization
of Construction
рамики, огнеупоры, т.е. все твердые неметаллы.
Вещества второй группы (пенно-шамотная крошка, окислы алюминия и магния, зеленый карбид
кремния) формально выходят за рамки дисперсных
систем. Интересующие технику твердые неметаллы
всегда являются сложными системами благодаря
наличию примесей, дефектов, зерен, трещин и т.п.
Важной частью дисперсных материалов первой
группы являются капиллярно-пористые коллоидные
тела. Последние принадлежат к классу связнодисперсных систем, в которых частицы дисперсной
фазы образуют более или менее жесткие пространственные структуры-сетки или каркасы. Эти системы называются гелями (уголь, торф, древесина,
ткани, бумага, кожи и т.д.). Все влажные материалы
в зависимости от их основных коллоидно-физических свойств можно разделить на три вида [1]:
1) типичные коллоидные тела (эластичные гели).
© М.В. Павлов, Д.Ф. Карпов, С.И. Корюкин, 2013
Mikhail V. Pavlov, Denis F. Karpov, Stanislav I. Koryukin. Experimental-calculating definition of the specific volumetric heat capacity...
УДК 631.436
49
М.В. Павлов, Д.Ф. Карпов, С.И. Корюкин. Экспериментально-расчетное определение объемной теплоемкости...
ИССЛЕДОВАНИЯ
50
При удалении жидкости эти тела значительно изменяют свои размеры (сжимаются), но сохраняют
свои эластичные свойства (желатин, агар-агар,
мучное тесто);
2) капиллярно-пористые тела (хрупкие гели).
При удалении жидкости эти тела становятся хрупкими, мало сжимаются и могут быть превращены в
порошок (слабо обожженные керамические материалы, влажный кварцевый песок, древесный уголь);
3) капиллярно-пористые коллоидные тела, обладающие свойствами первых двух видов. Стенки
их капилляров эластичны и при поглощении набухают. К числу этих тел принадлежит большинство
материалов, подвергаемых сушке и применяемых
в строительной технике (почвы, грунты, древесина,
картон, ткани, уголь, зерно, кожа, глина). Коллоидные тела (эластичные гели) поглощают наиболее
близкие по полярности жидкости. При этом они
увеличивают свои размеры – набухают. Капиллярно-пористые тела впитывают любую смачивающую
их жидкость независимо от ее химического состава.
В настоящей работе рассмотрен отдельный
пример капиллярно-пористых коллоидных тел –
фрезерный торф с позиции теплофизики почв.
Первостепенной задачей в данной научной отрасли
является нахождение, прогнозирование и регулирование термовлажностного режима почвенной
среды: распределения температур и влажности
внутри почвенного массива во времени и пространстве; скорости их изменения; величины теплового
потока, идущего в глубь почвы; интенсивности парообразовательных процессов на ее поверхности
и т.п. Адекватное действительности теоретическое
описание температурного и влажностного состояний почвы с учетом внутренних факторов и условий
окружающей среды считается главной проблемой в
науке о теплообмене в почве. Рассмотрение таких
вопросов требует дополнительного знания теплофизических характеристик почвенной среды [2].
Термину «теплофизические характеристики» обычно
придается широкий смысл, под которым понимается
комплекс параметров, характеризующих одновременно
реакцию материала на процессы тепло- и массопереноса [3]. На рис. 1 в виде блок-схемы представлены
основные тепломассообменные показатели дисперсных тел, к которым также относится фрезерный торф.
Сложность исследования теплофизических характеристик дисперсных материалов обусловлена
рядом причин:
1) многофазностью системы. Фрезерный торф
в общем виде относится к трехфазным системам,
которые включают в себя твердую, жидкую и газообразную составляющую. Совокупность твердых
частиц различных формы и размера разделены
между собой промежутками, заполненными газом
и жидкостью. В таком сложном материале теплопередача уже не ограничивается одной теплопроводностью, а складывается из четырех одновременно действующих процессов: теплопроводности,
конвекции, излучения и переноса влаги. Данные
способы теплообмена и диффузионные процессы
влияют на теплофизические свойства поликомпонентного вещества;
2) зависимостью от многих параметров. В работе [3] установлена функциональная связь термических характеристик дисперсных материалов
(хлопка, льна, джута кукурузы и др.) от целого ряда
величин: структурно-механического и химико-минералогического составов, пористости, объемной
массы, температуры и влагосодержания. Однако
такие авторы, как Е.В. Шеин [4], И.Б. Ревут [5],
А.Д. Воронин [6], подчеркивают существенное влияние влажности на тепломассообменные процессы
в слое почвы. Например, теплопроводность в диапазоне влажностей, характерном для большинства
типов почв, может меняться в 100 и более раз [6].
Ключевым теплофизическим параметром любой
почвы является удельная теплоемкость, так как она
полностью определяет тепловой и, следовательно,
влажностный режим почвенной среды, направление
и интенсивность энергетических процессов, идущих
на границе «почва – воздух». Все это обуславливает
формирование климата, урожая и непосредственно
воздействует на жизнедеятельность человека.
В настоящее время исследования теплоемкости
почв проводятся различными способами [3, 7, 8].
Ниже приводится описание наиболее известных
методов, позволяющих экспериментальным путем
находить теплоемкость дисперсных материалов.
Метод смешения считается весьма распространенным способом непосредственного определения
теплоемкости образца. Испытуемый образец, пред-
Рис. 1. Основные теплофизические характеристики дисперсных материалов
http://ms.enjournal.net/
ISSN 0025-8903
Механизация
строительства
№ 7 (829) — 2013