ертханалық жұмыс № 10

РАДИАЦИЯЛЫҚ КЕПТІРУ ПРОЦЕСІН ЗЕРТТЕУ

 

Жұмыстың мақсаты: Кептірудің W = f (т) қисық сызығын, оның көмегімен дифференциалды графикалық әдіс арқылы кептіру жылдамдығының қисық сызығын, кептіру жылдамдықтарының константаларын және оларға тиісінше материалдардың ылғамдықтарын анықтау.

 

10.1. Теориялық бөлім

 

Жылумен кептіру немесе кептіру деп - ылғалды қатты материалдарды қыздыру арқылы ылғансыздандыру процесін және пайда болған буды бөліп алуды айтады. Кептіру процесі қатты, пастаға ұқсас материалдардан және ертіндіден ылғалды бөлу ушін өте кең түрде қолданылады.

Кептіру мынадай әдістерге бөлінеді:

1. Конвективтік кептіру. Кептірудің бұл әдісінде кептірілетін материалдармен кептіргіш агенттер тікелей жанасады.

2. Контактты кептіру - жылу тасымалдағыштан кептірілетін материалға жылу қабырға арқылы беріледі.

3. Радиациялық кептіру - инфрақызыл саулелердің жылуы арқылы кептіру.

4. Диэлектрикті кептіру - үлкен жиілік электр тоғының жылуы арқылы.

5. Сублимациялық кептіру — терең вакуумда тоңазыту күйінде кептіру.

Өнеркәсіпте қарапайым, әрі арзан болып табылатын конвективті кептіру өте кең көлемде қолданылады. Бірақ жұқа материалды (қағаз, жұқа мата) кептіру үшін радиациялық кептіру дұрыс деп саналады. Себебі ылғалдық көп мелшерде бөлінуіне электролампалардан, экрандардан шыққан инфрақызыл сәулелер әсер етеді. Бұл кезде кептірілетін материалдың температурасы қоршаған ортаның температурасынан жоғары болады. Кептірудің қай түрінде болмасын ылғалды материал мен қоршаған ортаның тепе-теңдігінің заңдылықтарын білу қажет.

 

КЕПТІРУДІҢ ТЕПЕ-ТЕҢДІГІ

 

Егер келтірілген материал ылғалды ауамен жанасатын болса, онда бұл кезде 2 түрлі процесс жүруі мүмкін:

1. Кептірілген материалдағы су буының парциалдық қысымы (Р_м) оның ауадағы парциалдық қысымынан (Р_бу) үлкен, яғни Р_м > Р_бу болғанда кептіру (ылғалдың кептірілген материалдан шығуы, яғни десорбциялануы) процесі жүреді.

2. Кептірілетін материалдағы су буының парциалдық қысымы (Р_м) оның ауадағы парциалдық қысымынан (Р_бу) кіші, яғни Р_м <Р_6у болғанда материалдың ылғалды сіңіру процесі жүреді.

Кептіру кезінде Р_м мәні Р_6у мәніне жақындайды да, Р_м = Р_6у болған кезде материал тепе-теңдік қалыпта болады. Осы кездегі ылғалдылық тепе-теңдік ылғамдылығы деи аталады. Тепе-теңдік ылғамдылығы ауаның салыстармалы ылғалдылығына (φ) байланысты болады және тәжірибе арқылы анықталады. Тепе-теңдік ылғалдылығын анықтау үшін салмағы өлшенген кептірілетін материал әртүрлі қатысты ылғалдығы бар ортаға орналастырылады да, бірқалыпты температурада белгілі бір уақыт аралығында кептіріледі. Материалдардың массасы тұрақты болған кезде оның ылғалдыгы тепе-теңдік қалыпта болады деп саналады.

Тұрақты температурадағы байланысы, яғни изотермасы 1-сүретте керсетілген. 10.1-қисық сызық материалдан ылғалды шығаруда (десорбция изотермасы), яғни оны кептіргенде, ал 10.2-қисық сызық материалды ылғандандырғанда (сорбция изотермасы) алынған.

 

ЫЛҒАЛДЫҢ МАТЕРИАЛМЕН БАЙЛАНЫС ТҮРЛЕРІ

 

Кептіру процесінің механизмі ылғалдың материалмен байланысу түрімен анықталады: егер бұл байланыс қаншалықты берік болса, кептіру процесі соншалықты қиындау отеді. Кептіру кезінде ылғалдың материалмен байланысы бұзылады.

П.А. Ребиндер ылғалдың материалмен төмендегі байланыс түрлерін ұсынған: химиялык, физикалы-химиялық және физикалы-механикалық.

Химиялық байланыстағы ылғал материалмен белгілі бір (стехиометриялық) қатынаста өте берік байланысқан. Ылғалдың мұндай түрін материалды өте жоғары температурада ысыту немесе химиялық реакция негізінде бөліп алады. Химиялық байланыстағы ылғалды кептіру арқылы шығару мүмкін емес.

Кептіру кезінде әдетте физикалы-химиялық және физикалы-механикалық байланыстағы ылғал шығарылады. Механикалық байланыстағы ылғал кептіру кезінде жеңілдеу шығарылады.

Физикалы-химиялық байланыстағы ылғал адсорбциялық және осмотикалық болып 2-ге бөлінеді. Адсорбциялық ылғал материал кеуектерінде және оның бетінде берік байланысқан болады. Осмотикалық ылғал (ісіну ылғалы деп те аталады) материал клеткаларының ішінде осмотикалық күштермен байланысқан болады. Адсорбциялық ылғалды шығару үшін осмотикалыққа қарағанда көп энергия қажет. Ылғалдың бұл түрлерін кептіру механикалық ылғалды шығаруға қарағанда қиындау.

Кептіру процесіндегі материалдың ылғалын еркін және байланысқан деп те бөледі. Материалдан ылғалдың булану жылдамдығы еркін беттен судың булану жылдамдығына тең ылғалды еркін деп атайды. Демек, еркін ылғал үшін болады.

Байланысқан ылғалдың булану жылдамдығы су бетінен булану жылдамдыгынан аз, яғни Р_м<Р қан болады.

 

МАТЕРИАЛДЫҢ ЫЛҒАЛДЫЛЫҒЫ

Материалдың ылғалдылығын оның барлық мөлшері (G) немесе абсолютті құрғақ заттың мөлшері (G_қ) бойынша есептеуге болады.

Материалдың барлық мөлшері бойынша оның ылғалдылығы:

(10.1)

Абсолюттік құрғақ материал бойынша ылғалдылық:

(10.2)

Ылғал материал мөлшері:

(10.3)

мұнда G_ыл - материалдағы ылғал мөлшері, кг.

 

W^К және W арасындағы байланыс төмендегідей:

(10.4)

 

немесе

(10.5)

 

Кептіру процесінде материал күйінің өзгеруін қарастырамыз (10.2 сурет). Ылғалдылық W₁ ден W_r өзгергенше материалдағы ылғал еркін (Р_м⁼Р қан) болып, материал ылғал күйінде болады және гигроскоптық күйде болады. А нүкте гигроскоптық нүкте, ал оған сәйкес ылғалдылық гигроскоптық ылғалдылық деп аталады. Ылғалдылық W_r дан W_т дейін өзгергенде материалдағы ылғал (Рм қан) байланысқан болып, ондағы салыстырмалы ылғалдылық ф < 100 % болады.

Сур. 10.1. Тепе-теңдік ылғалдылығы мен ауаның слыстырмалы ылғалдылығы арасындағы байланыс

1 – десорбция изотермасы, 2 – сорбция изотермасы.

 

Сур. 10.2. Кептіру процесі кезіндегі материал ылғалдылығының өзгеруі.

 

КЕПТІРУ КИНЕТИКАСЫ

 

Кептіргіштерді есептеуде кептіру жылдамдығын анықтау қажет болады. Материал бетінің (F) бірлігінен уақыт бірлігінде буланған ылғал мөлшері (С) кептірудің жылдамдығы деп аталады, яғни:

Кептіру процесінің кинетикасы материалдың орташа ылғамдылығының уақыт бойынша өзгеруімен анықталады. Материал ылғалдылығымен уақат арасында байланыс кептірудің қисық сызығымен өрнектеледі (3 а сүрет). Бүл сызық тәжірибе арқылы салынады. Суреттен көрініп түрғандай кептірудің қисық сызығы екі периодқа сәйкес келетін бөліктерден қүралған мерзімінде материал ыси бастайды, сондықтан оның кептіру жылдамдығы аз болады. Бүл мерзім сүретте көріп түрғанымыздай аз уақытты алады. Бүл кезде ылғамдылықтың шамасы өте аз мөлшерде өзгереді. W₁ - W₂ аралығындағы мерзім кептіру жылдамдығының тұрақты мерзімі деп аталады. Бүл мерзімде кептіру процесінің жылдамдығы тек сыртқы диффузиямен, яғни ылғалдық

материал бетінен қоршаған ортаға булануымен аныкталады. Бұл мерзімде материалға берілген жылудың барлығы ылғалдың материал бетінен жылудың барлығы ылғалдьщ материал бетінен қарқынды булануына жұмсалады.

3 а сүреттегі W₂ – W₃ аралығы кептіру жылдамдығының төмендеу мерзімі деп аталады. Бұл мерзімде кептіру жылдамдығы материалдың ішінен оның сыртқы бетіне өтеді, одан кейін барып булана бастайды. Сондықтан да кептіру жылдамдығы уақыт өскен сайын төмендей береді.

Анықталған кептіру жылдамдығының мәндері мен ылғалдың мәндері арасындағы байланыс график түрінде салынып, кептіру жылдамдығының кисық сызығын алады (3в сурет).

3в сүреттегі ВС түзу сызығы I периодты, яғни кептіру жылдамдығының тұрақты мерзімін, ал СҒ сызығы кептіру жылдамдығының төмендеу мерзімін құрайды. I периодта еркін ылғал буланады. С нүктесі гигроскоптық нүкте болып табылады да, СҰ аралығында байланысқан ылғал булана бастайды. Ғ нүктесінде ылғалдық тепе-теңдік мәнге ие болады да, кептіру процесі тоқтайды.

Кептірудің қисық сызықтарын салынған соң келесі міндет болып осы теңдеуді өрнектей алатын теңдеуді жазу болып табылады. Ол үшін W = f (т) байланысы өрнектеп көрелік.

Материалды ысыту мерзімі аз болғандықтан оның мәндерін I аймақта ылғалдылык мына теңдеумен өрнектеуге болады:

(10.6)

мұнда: К₁ – кептіру жылдамдығының тұрақты мерзімінің константасы, 1/сек.

τ₁ – І аймақтың кептіру мерзімі, сек.

 

ІІ аймақ ылғалдылық төмендегідей теңдеумен өрнектеледі:

(10.7)

осы теңдеуден (10.8)

мұнда: К₂ – кептіру дылдамдығының төмендеу мерзімінің константасы, 1/сек

(t₂ – t₁) - II аймақтың кептіру мерзімінің ұзақтығы.

III аймақта ылғалдықтың мына теңдеумен өрнектеледі:

(10.9)

 

осы теңдеуден (10.11)

 

Сонда жалпы кептіру процесінің тевдеуін төмендегідей жазуға болады:

 

(10.12)

 

 

10.2. Қондырманың сипаттамасы

 

Қондырғының схемасы 10.4-ші сүретте көрсетілген. Оған сай қондырғы табақты ылғалды өлшегіштен 1, оның табағына ылғал материал 2 тиеледі. Ылғал материал төбесінен берілген инфрақызыл сәуле шығаратын шырақтын 3 көмегімен кептіріледі. Шырақ электр желісіне автотрансформатордың 4 көмегімен жалғанған. Шыраққа берілетін кернеу 110 В аспауы қажет (автотрансформатордың бетіндегі нұсқауды қара).

 

 

 

 

Сур. 10.4. Қондырғының схемасы.

1 – ылғалды өлшеуіш, 2 – кептірілетін материал,

3 – электр шырағы, 4 – латр, 5- айналмалы ток тізбегі

10.3. Тәжірибені жүргізу тәсілі

 

Автотрансформатордың тілін лаборанттың айтуымен белгілі бір белгіге бағыттап қоямыз ылғалды өлшегіштің табағына ылғалды материалды орналастырамыз. Материалдың массасы берілген уақыт аралығында өзгермей, сол қалпында тұратын кезде тоқтатамыз.

Тәжірибеден алынған деректерді төмендегі кестеге жазамыз.

 

Кесте 10.1. байқау хаттамасы

 

Өлшенетін шамалар	Есептенілетін шамалар
Уақыт τ	Уақыт аралығы, Δτ, с	Үлгінің массасы, G,кг	Материал дағы ылғалдың мөлшері Gыл, КГ	Материал дың ылғалды лығы, W, кг/с	Ылғалды лықтың өзгеруі ΔW	Кептіру жылдам дығы

10.4. ТӘЖІРИБЕДЕН АЛЫНҒАН ДЕРЕКТЕРДІ ӨҢДЕУ

 

1. Материалдағы ылғалдың мөлшері төмендегі теңдеумен анықталады:

 

мұнда: G - материалдың берілген уақыттағысалмағы, кг;

G_к - кепкен үлгінің массасы, кг.

2. Уақыт аралығындағы Dt интервалындағы, ылғалдылықтың өзгеруі DW:

DW = W₂ – W₁

3. Кептіру жылдамдығы төмендегі теңдікпен анықталады:

4. Есептеліп табылған деректерді 10.1кестесіне жазамыз.

5. , координатасында кептіру жылдамдығының кисық сызығын саламыз. Сондай-ақ ылғалдыдықтың DW - t тәуелділіктегі қисық сызығын саламыз.

6. 5-пунктінде салынған графиктердің көмегімен кептірудің периодтарын, аймақтарын (I, II, ІІІ, IV) анықтау қажет. Графиктердің көмегімен W₁, W₂, W₃, W_r және осы мәндерге сәйкес t₁, t₂, t₃, t₄ уақыттарын анықтаймыз.

7. (10.6, 10.8, 10.11) теңдеулердің көмегімен К₁, К₂, К₃, константалары аныкталады да кептірудің жалпы теңдеуі (10.12) теңдеудің көмегімен жазылады.

 

 

10.5. БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ:

 

1. Кептіру процесі дегеніміз не?

2. Кептірудің қандай әдістері бар?

3. Қай жағдайда кептіру немесе десорбция процестері жүреді?

4. Ылғалдың материалмен байланыс түрлері.

5. Ылғалдың адсорбциялық және осмотикалық түрлері.

6. Еркін және байланысқан ылғал дегеніміз не?

7. Ылғалдылық дегеніміз не?

8. Материалдың гигроскоптық күйі және гигроскоптық нүкте дегеніміз не?

9. Кептіру жылдамдығы.

10.Кептірудің қисық сызығы.

11.Кептірудің периодтары

12.Кептіру процесінің аймақтары мен константалары.

13.Кептірудің жалпы теңдеуі.