автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методы и устройства для контроля характеристик тепло- и массопереноса композиционных материалов

/ #

4 "V ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ г

На праках рукописи

БЕЛЯЕВ Павел Серафимович

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК' ТЕПЛО-1! МАССОПКРКИОС А КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тамбов-1998

Работа выполнена на кафедре ((Автоматизированные системы и приборы» Тамбовского государственного технического университета

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: доктор технических наук, профессор

C.B. Мищенко

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Академик АН Белоруссии, доктор технических наук,

профессор А.Г. Шашков доктор технических наук,

профессор Г.А. Коидрашкова доктор технических наук,

профессор В.Н. Чериышов

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Государственный научно-исследовательский

институт химических продуктов, г. Казань

Защита состоится « ^ » /Ю/Э^Я- 1998 г. в ^ часов на заседании диссертационного Совета Д 064.20.01 Тамбовского государственного технического .университета по адресу: 392000, г. Тамбов, Советская, 106. Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, скреплённые гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, Советская, 106, ПТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « ^ » Феб/Ю-ЯЯ 1998 г

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объектом исследования данной работы являются, пределе всего, композиционные полимерные материалы (КГ1М) на основе целлюлозы н ее производных на различных стадиях 5« переработки а изделия. Они зызывают значительный интерес з современной химической технологии и связаны с диффузией различных растворителей в перерабатываемых дисперсных средах, т.к. процесс получения композиций чаще всего осуществляют путем введения составляющих через общий растворитель с последующим его удалением. Особое место отведено целлюлозе в производстве изделий оборонного назначен;«, где возможности ее использования в достижении определенных специфических свойств данного вида продукции далеко не исчерпаны и являются предметом пристального внимания н изучения

Современный уровень развитая техники характеризуется применением систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих сформировать, сравнить и оцетгть большое кояичестг.о гарнг.нтоп проектных решений. При этом в САПР тсхнолспгчесгая процессе?., сеязанних с диффузией тепла и массы вещества, шпроте используют матсмашчгекке модели тепло- и «зссоперсноса (ТМП) з виде краевых задач, параметрами когерых «тзлякггея тсплофизические {тепло- и температуропроводность, теплоемкость перерабатываемой дисперсной среды) и диффузионные (коэффициенты диффузии к термоднффузнн распределенных в дисперсной среде веществ) характеристики (ТФХ н ДХ), объединенные под общим названием характеристики ТМП.

Интенсивный поиск различных химических добавок, а также вариации с изменением состава и стргегшЯ молекул полимеров с целью получения требуемых сгсйств, обусловливают пеямгкке новых материалов рассматриваемого класса со значительно отлипающвмпся характеристиками тепло- и мзссопереноса.

Несмотря на очевидный прогресс в области исследования диффузионных характеристик, большинство экспериментальных дгпных по коэффициентам диффузия растворителей в пол!шерзх получены на основе измерений усредненных по титана образцов значений концетрашш, что приводит к существенным количественным я качественным ксхажегшч результатов. Методы и технические средства, позволяющие определять лекальные зпгчекгш диффузионных характеристик, разработаны применительно к нееяедоганн'о не реальных изделий, а их химических аналогов - как правило, плёнок, ссрбциошЫе и диффузионные свойства которых далеки но только от аналогичных для перерабатываемых з условиях производства материалов, но и существенно отличаются друг от друга при использовании разлнчгага способов получения' исследуемых образцов, особенностей приготовления проб к исследованию, от тояясты получаемых пленок и пр.

г

Для обеспечения возможности использования опытных данных по хараэтери-стикам ТМП при проектировании оборудования и интенсификации технологических процессов необходимо получать их в условиях, близких к производственным, т.е. при испытании свойств реальных изделий.

При переработке материалов на основе целлюлозы н ее производных может наблюдаться как "нормальный" (фикоЕсккй), так и аномальный характер диффузии растворителей. В частности, на стадиях удаления активных растворителей, как правило, наблюдается аномальная диффузия, и решение задач интенсификации данных стадий технологического процесса из-за отсутствия надежного математического описания существенно усложняется. Однако, именно на этих стадиях происходит формирование структуры перерабатываемого полимерного материала, что отражается на величине коэффициентов диффузии растворителей. Поэтому исследование эффективных коэффициентов диффузии при аномальном характере массопереноса представляет несомненный интерес.

Недостаточная точность и информативность применяемых методов определения характеристик ТМП объясняются, правде всего, отсутствием средств контроля одного из основных параметров состояния перерабатываемых материалов -локального значения потенциала игесоперсноса, что до сах пор является причиной использования процедур полбора оптимальных рехашов производства и переработки создаваемых патеряалоз опытным путем.

Цель работа состоит в решенны проблемы ко;ггроля локальных значений характеристик тепло- и массоперегюса композиционных материалов на основе целлюлоза и ее производных; для псвьгше1шя эффективности диффузионных процессов на различии* стадиях их производства и переработки.

Задачи работы. Для достн)::гшй указанной цели были поставлены и решены следующие задачи: I) разработаны принцип в методы контроля локальных значений потенциалов массопереноса в рассматриваемых композиционных полимерных материалах в условиях "нормальной" и аномальной диффузии растворителей; 2) разработаны теоретические основы' ковкх нестационарных аналитических методов контроля потенциалозавксимых характеристик ТМП дисперсных материалов для случаев "нормальной" диффузии растворителей; 3) разработаны нестационарные метода определения зффеетшгшх коэффициентов диффузии растворителей в дисперсных средах для случаев аномального массопереноса в условиях реально протекающих технологических процессов производства изделий га КПМ;

4) выполнен анализ вошохошх исгочшисоз погрешностей и проведена оптимизация конструктивных параметров курительных устройств по кр!гтерию точности;

5) разработаны автоматширозанные системы контроля (АСК) и конструкции измерительных устройств для определения характеристик ТМП анализируемых ма-

териалсв на стадиях технологического процесса, сопровождающихся "нормальной" и аномальной диффузией рг.стгсрэтелей; 6) создано техническое, алгоритмическое, программное и метрологическое обеспечение разработанных АСК; 7) разработатгые методы п устройства применены для исследования характеристик ТМП КПМ кз ос:юзе целлюлозы и ее производных на различных стадиях производства и реализация решений по позышеишо ?ффе<гг!тв:гасти технологических процессов переработки их в гадеяяа, а тасйе для решения аналогичных гздач з смежных отраслях ггронышлетаоетц и сельском хозяйстве.

Предложен вркгаип локмькего контроля знсрпш связи растворителей с таердой фазой при ¡га иесгзцкокгрной диффузии в анализируемых дисперсных средах tea ссноге измерений гальзанкческс?! ЭДС электродных систем. Разработаны методы пзмереши лоталышх значений концентрации полярных растворителей з дасперс:пхх средах в условиях "нормальной" диффузии распределяемого в твердо.! фазе вещества и локальных значений потенциала мае-ссперенсса а услов»кх аномальной диффузии раетворэтелей з полимерных системах, реллнзуюшме предлогсегигыП принцип Электрах« и11ческого когггроля. Определены и обоснованы показатели локальности разработанных устрой ста, фнзико-хнм!Г!!кки2 оснозн ¡шфсрмапЕНссги гальванических преобразователей (ГП) и диапазоны работоспособносп!.

Разработаны теоретические сгнош игсгашокаринх методов измерения по-тспцналоззгисимых хзргэтер::стаа 7?>ПТ различных систем дисперсная среда -растворитель a услоглгх "коризлкюй" нестационарно!! диффузии распределеи-1гых веществ.

Разработай*; методы, rjrrcpsrmu и программы оптимизации конструкторских решек: ril пря rrpoesrnsponamni измерительных устройств, реализующих методы опредглеияя характеристик ТМП, по критерию точности. Определены оптимальнее конструктивные пзргмглры кзмерштелкгых устройств для различных групп материалов на основе целлюлозы н ее производных и воздействия на исследуемые образцы с целью обеспечения требуемой информативности контроля.

Разработаны методы определения лекальных значений эффективного коэф-фпшлзгта аномальной диффузии «шинного растворителя в анализируемых материалах в услогягзс их промышлснноЛ переработки.

Разработали косые способы п копстр;,тсшш измерительных устройств для определения характеристик ТМП дисперсных натериалоз, защищенные авторскими сзидетельстамя на изобретения.

Получены новые гшяфям^шшяке даинкг по хйргхгернетикам ТМП ряда материалов, а том "гкелг :.-омпоз!ггоз па сснсзе целлюлозы и е5 производных на различных стадиях их переработки. Полу 1ш количественные показатели влил-

пия на формирование структуры анализируемых КПМ условий протекания процессов удаления активных растворителей в виде данных по изменению эффективного коэффициента аномальной диффузии.

Практическая ценность работ». Предложенный принцип контроля локальных значений потенциалов массопсреноса иа основе электрохимических измерений явился единой мстрологпчесхсй платформой для реализации методов комплексного исследования продела диффузии растворителей на различных стадиях процесса, производства композиционных материалов, связанных как с "нормальным", так н аномальным характером диффузии, а также для построения первичных измерительных преобразователей замкнутых систем управления диффузионными процессами,

Разработшшые теоретические основы измерения. характеристик ТМП реализованы о ьиде новых методов, Евтсшаггазнровамюй системы контроля и трех типов конструкций .измерэтелышх устройств, предназначенных для определе-.шя ТФХ и ДХ различных групп класса анализируемых дисперсных сред: твердых волокнистых материалов с Бозг.юаа:остыо исследования свойств вдоль и поперек волокон, а также сыпучих материалов с различными типами распределенных в них растворителей.

Разработаны методы, копгтрукцззя измерительного устройства и автоматизированная система допроюя, предназначенные дне .определения эффективного коэффициента диффузии активного растворителя ь КПМ на стадиях формироашшя их структуры, осложненных явлениями аномального мз:сснерсноса, в условиях промышленного прсшводспЕа пзделий из гналнзнруемых композитов.

Созданы необходимые эл-меггш математического, алгоритмического, программного, метрологического и технического обеспечения АСК, ориентированных на нспользозазще разработанных методов н яз.чер^гелышх устройств.

Получены оценки систематических и случайных погрешностей измерен!»! ТФХ и ДХ с применением разработанных методов и устройств, разработаны методики постановка и проведения испытаний, позволяющие уменьшить значения суммарных погрешностей измерения.

Разработанные методы н измерительные устройства применены для измерения характеристик ТМП рада дисперсных материалов, в том числе КПМ иа основе целлюлозы и ее произзодаых на различных стадиях их промышленной переработки. _

На основе экспериментально определяемых ТФХ и ДХ создасаемых и перерабатываемых з изделия композиционных материалов разработаны методы, алгоритмы и программы решения задач по повышению эффективности производственных процгееоз, реализованные при интенсификации диффузионных процессов

J

производства и переработки КПМ на ockow целлюлозного сырья, а также ряда других материалов.

Разработаны и изготовлены оригинальны: ПИП, реализующие предложенный принцип локального электрохимического контроля энергии святи растворителя с дисперсной средой, на базе которых сиитезнровани, созданы и внедрены системы контроля и управления тепло-влажиоепшкм процес ами г. ряде современных производств.

Реализация изучно-техничуских результатов. Основные результаты теоретических н экспериментальных работ автора при его непосредственном участии внедрены в производство и переданы для использования на следующих предприятиях : филиал ВИАМ (г. Обнинск, ¡973 г.); НПО "Технологи:?" (г. Обнинск, 1979 г.); КазНИИХП (г. Казань. 1930,1931, 1984.19SS, I9S6 гг.); п/я B-22S1 (19851989 тт.); Котозс1сая макаронная фабрика (Taw бос с гая обл., 1987, 1988 гг.); ВНИИС (г. Мичуринск, 1937, 1983 гг.); Березсзскат ПТФ (Тамбовская обл., 1938 г.); КрзсиокустоЕСкгя ПТФ (Тамбовская обл., 1933 г.); ЗПХ "Мир" (г. Симферополь, УССР, 19SS г.); ряд предприятий по производству и переработке сельскохозяйственной продукции (РСФСР, Молдавская ССР, УССР, 19881990 гг.); Объединение "АзсвплодоовокГ (Роете г с кал обл., 1990 г.); НИИС (г. Полтаза, УССР, 1992 г.); Бокннский КПД (Тамбовская обл., 1994 г.); КФХ Целина" (Липецка? обл., 1991 г.); КФХ "Платан" (Тамбовская обл., 1994 г.); НЛП "Модуль" (г. Тамбов, 1995 г.); ГосНИИХП (г. Казань, 1994, 1996 гг.), Котовский здгод штастшсс (Тамбовская обл.,.1997 г.).

Материал*! диссертация попользуются з учебных курсах "ПТУ при обучении студиггоз спешталтпащш 21.02.17 "Автоматизгши гкатгтнческого хо»ггроля тех-нолоппесгапс проигсссз и производств".

Апробация работа. Результата работы сбс>~хдалнсь на XI Всесоюзной науч-ио-техюгсссхсй конференции ВИАМ (г. Москва, 1977 г.); на заседании секции "Тепло- и мгсссперспсг з процессах тсврдгшм материалов из сскоге вяжущих пгщесга" Научного Сопгга "Мгссо- я теплопергисс в технологических процессах" np!i ГКНТ СССР (г. Калинин, 1979 г.); на Всесоюзной конференции "Тепломассообмен я иодзляроегнгге в энергетических установках" (г. Тула, 1979 г.); на Всесоюзном иаучко-техипчсскои ссшшзре "Современное состояние тспяофщлческого приборостроения" РДЭНТП, 1ГГТФ АН УССР (г. Киев, 1980 г.); на Республиканской адучзюЛ конференции "Сушка и грануляция продуктов микробиологического н тонкого химического синтеза" (г. Тамбов, 1981 г.); на Всесоюзной наушо-технкческоП кшгференншг "Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оберудоганне для переработки их в изделия" (г. Тамбов, 1932 г.); на Всесскш.ий научно-технической конференции

"Совершенствование техники, технологии сушки сельскохозяйственных и пищевых продуктов" (г. Полтава, 1984 г.); ил VII Всесоюзной иаучно-гехшгческой конференции по влагометрии (г. Кутаиси, 19S4 г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Процессы к оборудование для гранулирования продуктов микробиологического синтеза" (г. Тамбов, 19S4 г.); на Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация технологических процессов в животноводстве и растеплесодстаг" (г. Кпсз, 1985 г.); на Всесоюзной научной конференции "Автоматизация к роботизация в химической промышленности" (г. Тамбов, 1986 г.); на Всесоюзной конференции "Биотсхника-86" (г. Грозный, 1986 г.); на заседании международной ассоциации по математическому и машинному моделированию (г. Воронеж, 19С6 г.); tu VIH Всесоюзной конференции "Синтез и исследозагшг эффективности х;г.»:хатс2 для полимерных материалов" (г. Тамбов, 1986 г.); на 2-ой Всесоюзной егколе "Прикладные проблемы управления макросистемами" (г. Москва, 1937 г.);-на VI Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы гадроданаипки к тепломассообмена и путл повышения эффективности знергетечесигх уешюгок" (г. Мостза, 19S7 г.); на Всесоюзной конференции "Разработка и гнедренне пгрепгкпшных технологий производства посадочного материала шюдово-ягодаых культур" (г. Москва, 1987 г.); на IX и X Всесоюзных тсшюфшическях школах (г. Тамбов, I9S8, 1990 гг.); на Всероссийском семинаре "Прогрессивные технологи], приеим п средства механизации в пн-томниководстве" {г. Мычуриаск, 1988 г.); на Всесоюзной конференции "Моделирование САПР, АСНИ и ГАП (г. Там бет, 1989 г.); на I и П Мевдуиарод-ных теплофязических школах (г. Тамбов, 1592, 1995 г.г.); на Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" • ММХ-9 (г. Тверь, 1995 г.); на Российской электрохимической школе (г. Тамбов, 1995 г.); на 4-ой Азиатской копферещши но тсплофизическиы сгойстзам веществ (Токио, Япония, 1995 г.); на 2-ой Европейской и 14-ой национальной конференциям по теплопереносу (Рим, Италия, 1996 г.); на 14-ой Европейской конференции по теялофизическим свойствам веществ (Лион, Франция, 1996 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 70 статей, докладов, авторских свидетельств, в том числе две справочные книги.

Структура и объем рабрти. Диссертааш состоит из введения, тести глав, заключения, приложений и списка нспользоьаяной литературы. Диссертация изложена на 371 странице и содержит 72 рисунка. Список литературы включает 496 наименований. Приложения содержат 166 страниц, 13 рисунков, 3 таблицы и 39 актов использования результатов работа.

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных соискателем в период с 1975 по 1997 годы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана ахтуапьность темы, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыта научная новизна н практическая значимость рлбоп.1

В первой главе приведен анализ рассматриваемого класса гещсста как обьек-та исследования, технологий производства изделий из ник, явлений вззимоденст-гия исследуемых материалов с иизкомолегулярнынн е^щестсмн и магматических моделей сорбцноннсго равновесия. Рз1См<лр.-;:о математическое описание процесссз ТМП в материалах и изделиях кз осиосе целлюлозы к ее производных, характеризующиеся "иср^алыюГГ и аноматьной диффузией распределенных в дисперсной среде растворителей.

Проведено исследование современного состояния методического и аппаратного обеспечения кс:гсроля характеристик тепло- и массопсреноса в рассматриваемом классе материалов в условиях "нор.чзлшо" и аномально протекающих процессов диффузии на различных стадиях переработки их з изделия.

В связи с псебходннсгп го обеспечения созмогкшетн исследования локальных значений характеристик ТМП рассмотрено современное состояние в облает контроля локальных значений кояцемггргцнн при диффузионных исследованиях анализируемых материалов.

На основе проведенного анализа сформ)'Лнрссаны задачи исследовяллЯ. Ргор^ч глаза пссвящеиз разрг.боп:; принципов когпроля энергии связи рпс-твор:гтелей с твердой фз-е;"! анализируемых диглсрснпх сред на основе измерений гальгэшчесгсой ЭДС зле¡гтродпихсисте;I и построению на пх базе методов и устройств для измерения локальных зг«чекпЗ ¡гонцешргции растворителей при диффузионных каштшпшг кссхсауеиш ь'зггрлхтоз с целью определения их хзрах-терпела ТМП. В стл:п:'.г от трхиппдаггого ггзтекциометркческого контроля по-тенщ'злопредгляияшк поиоз з ргстаерзх гальггшиеские преобразователи ис-пальзоазиа для гамерекня содержания са.'П'х растворителе Я в тт.грлоП фазе анализ; груем их гтериглог, крячем, з строго локализованных зонах наследуемых образцов в услоз:;лх нсеггцггоигрной даффузнп распределенных растворителей.

Непал ьзег'кне деяяого :*стсдз для контроля содержания распределенных в тггрдой фазе сгщсотз до рагрлсог,гл представленных технических решений касались юмереннл гсг.г го г.ла:;агсстп некоторых иатернзлов и отличались низкой точностью селгйстзаг кг гыясягннш причин информативности применяемых средств. Погяааяо, что традиционное объшкагее'информативных свойств данных преобразователей "...недостатком ;":пдксП фази для полного ионного обмена между злс:г.рол":п' и электротягой, в'кзчестге которого выступает контролируемая среда" пз ::спр';!:пго, так кг:: одия а те кг згкпегам ЭДС преобразователей могут

£

быть получены при шшхксдерканшх материалов одного класса, различающее* на десятичный порядок.

В главе рассмотрены фю;шка»нгческиз основы информативных свойств гальванических преобразователей, расширение области контроля ка используемые в производстве КПМ полярные растворители, а также вопроси обеспечения локальности контроля распределений растворителей в анализируемой дисперсной среде при организации дкффузшииплх измерений.

При исследовании всзмокоюста использования гальванических преобразователей для контроля концентрации »¡сводных растворителей в т&ердой фазе анализируемых веществ усгаюзлсно, что ГП в различных системах дисперсная среда -полярный растворитель имеют качественно подобные выходные характерпспш:, отличающиеся уровней развиваемых ЭДС и диапазонами концентрации, в которых наблюдаются их характерные гамергяда (рис.1).

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

Е, В 3 33 (

> -- /

3: / У

/ А

/ 1 ( / т ,2 •ф

/

> ч

т г V <тг/ кг

¡.С 0.9

О 5 Рис.1.

10 16 20 25 30 35

ОС; С, 0. 0.5 0.4

$21

6н

/

л

7

£

щ

/1

Ж

и-Ю.кг/кг

а)

Выходная

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 ¡75 20 6)

характеристика

гальванического преобразователя в зависимости от коиигшрзвдш распределенных в КПМ различных растворителей: а) этанол; б) зода

Информативные сзойсгез гальЕгшческнх преобразозателсй объяснены с позиции затрат свободной 'энергии растворителя в определенной области его концентрацш; в дисперсной среде на связь с частицами твердой фазы. В общем случае потенциал электрода при контакте его с дисперсной средой определяется условиями перехода заряженных частиц через границу раздела, условиями адсорбционного н дипольиого взаимодействия.

Пра значениях концентрации растворителя в дисперсной среде, характеризующейся наличием его части в свободном состоянии, взаимодействие растворителя с электродами Ш обеспечивает определенный (максимальный для заданного

значения температуры системы) уровень ЭДС гальванического преобразователя (рис. I, область III).

При последовательном уменьшении содержания жидкой фазы растворитель сказывается связанным с дисперсной ср;дой различными формами связи, характеризующимися определенной затраченной па это энергией, увеличивающейся по мере снижения концентрации. При этом уменьшаются возможности для ионного обмена между электродами и растворителем ь следствие снижения его сольвзш-ругошей способности з связанном состоянии, уменьшается энергия адсорбционного вззимодейстзия, снижается величина диэлектрической проницаемости растворителя, поэтому его взаимодействие с электродами ГП происходит с меньшей интенсивностью, что вызывает закономерное снижение ЭДС (рис.1, область II). В связи с тлотхтти, можго заранее предсказать диапазон работоспособности гальванических преобразователей для контроля параметров состояния растворителей в различных дисперсных средах: это область связанного состояния раство-р!ггеля. В конкретных условиях верхинй предел информативности ГП практически определяется содержанием расти оритслз в дисперсной среде, находящейся в рзп-ноееенн с насыщенными парами растворителя при заданной температуре, i (ижний предел зависит от внутреннего сопротивления дисперсной среды в области низких концентраций растворителя н возыозаюстей пзмерителыюЯ аппаратуры (рис.11 область I).

В общем случгг ЭДС гальдошческого прссбразоеателя Е является функцией энергии связи о раствср»ггел* с дисперсной средой и температуры Т:

E=ilco, Т),

причем, с увгялчешггм ттелгрзтуры происходя закономерное увеличение ЭДС применяемых ГП и смещен:;г «лото нгсышеиня статической характеристики 5 область шешое концентрация, что обмкжэтея уменьшением рззковгекых значений содеретния рзсгесрителя s дисперсной сред; при заданной относительной упругости пара. ч

Детгрмитигропаииое с писанке выходной характеристики ГП для различных •потов материалов крайне ззтрудгпгтгяыю а связи с наложением многих влияющих факторов, а также тем, что вопрос о зязчеюих ЭДС потгкцномгтротееккх преобразователей в чистых свободных растворителях до сих пор остается дискуссионным. Поэтому источником информации длл построения статической хзрзетерн-стшот E(U, Т) (где U - кокцеггграздя рзстазрнтсяя) ллипых преобразователей является эксперпмгггг, что характерно и для другг'.х типоз преобразователей содер--лгс?г.5я распределенных в твердо;! фа?з сещвгтв. Методика градуировки ГП предполагает одновременно г врогидг:к:е веетедокшиА изотерм ссрбани-десорбшш

ю

анализируемых материалов при различных величинах отаосктелыгай упругости пара P/Ps в газовой фазе.

Предлагаемый исход контроля концентрация растворителей в дисперсной среде предусматривает дополнительное измерение ЭДС гальванического преобразователя в области свободного состояния растворктсля Е^ к перевод контролируемого значения ЭДС E(U, Т) с нормализованную форму для компенсации влияния возмущающих фаэторок

Ё = Е(и.Т)/Емх.

В связи с тем, «по информативные свойства ГП определяете;: энергией связи растворителя с твердой фазой, издичяе нгучтешгых факторов, например, незначительное присутствие примесей (б отделах установленных техническими условиями производстсз КПМ норы), отражается прежде вгего на абсолютных значениях ЭДС гальгашгчеекпх пргобрггоггтелгй в области свободного состояния растворителя (стандартно® соскшшг), а сра увеличении энергии связи растворителя с дисперсной средой происходят пропорциональное уменьшение ЭДС ГП от своих начальных зшчекнй. Установлено, что при переводе ЭДС гальванического преобразователя в корыалшовашг}« форыу, пелучешше для различных условий эхеперкыеятаяьше даншдг опхсысазтсз едшзой зависимостью для заданного значения температура. Аяавзшчяыз результаты подучены при замене электродов гальванических преобразователей, кгсиохря ка то, что ЭДС разных электродных систем дог свободного сосгош&з рвегаэригела отличались а несколько раз.

В связи с сущесгаяшгхи есшекм тшпграхурь! как на величину ЭДС, так н на равновесные зяаяегша содержания ргстаэрэтеля при заданной относительной упругости парс, стаггаческие харжеристакя ГП представляют собой полученные • " экспериментальным путем изотермы (см. рне.1 ), а реальное значение концентрации определяется на оснобошш градутгрозочных баз данных в результате совокупных измерений температура в ЭДС гальванического преобразователя.

Для оценки толщины кнфорыатезного слоя, определяющего выходную характеристику ГП, проведено исследование влияния неравномерных распределений температуры и концентрации на ЭДС данного ПИП. Специальным образом организованные эксперименты подтвердили предположение о том, что ЭДС гальванического преобразователя для рассматриваемого класса материалов определяется значениями концентрации и температуры б приэлеетродных областях анализируемой среды, а значением диффузионного потенциала можно пренебречь.

Данные выводы позволили провести оценку локальности контроля концентрации растворителей при использовании гальванических преобразователей в методах и устройствах для определения характеристик ТМП, а также сравнение получаемой толщины информативного слоя с ;;ругими типами ПИП.

Пра диффузионных измерешшс часто организуют однонаправленный тепло- д н массоперенос j в образцах, н задачей контроля является опреяеле!ше концентрации з слоях, перпендикулярных напразленшо переноса. В этих случаях часта кспользукгг игольчатые пли проволочные электроды, расположенные а эквнпотеншгаль'ных сечениях образца (рис.2).

Показано, что при использования ГП толщина ннферматтшгаго слоя не превышает дигметра злектродоз 2г преобразователя, т.к. именно этот алой контактирует с его зле:гтродг-,;и. В случае использования яругах типов преобразователей с такими же по размерам электродами, например, дизлькоглетрическнх, индукпганых или копдуктометрпче-схих, толщшга информативного слоя значительно выше (2Я), что существенно увеличивает погрешность определения координат образца, в которпх измеряется необходимая для рзечегез кокце»прация, и, как следствие, снижает точность нахождения искомых характеристик:. Это объясняется тем, что силовые линии емко-спагх а индуктивных ПИП не имеют строго прямолинейного характера и захватывают близлежащие уч^спа! исследуемого материхта. Аналогичная картина наблюдается при использоганиа коядуктометрнчеекга преобразователей, так как распространение носителей зяряда от одного электрода к другому происходи не только в слое, коггтантгруговдем с их поггрхпостзшн, но и в близлежащих слоях, особенно с позышггяпшя зиачегош-ш содерткашта растворителей вследствие их большей злеэтропрозодасстп.

Предложенный пршщгш контроля зперпш езязи растворителей с твердой фазой дисперсных ергд поггелил разработать методы н устройства для измерения локалышх знггеипй кошзетрашя растзорзптаей в анализируемых материалах при нормальной-даффузли распределенных в твердой фазе веществ, а также локальных значений петегпшалоа игссопереноса в случаях их аномальной диффузии (глава 4).

Третья глава поезяккя разработке теоретических основ н практической реализации методов определения легшьнгтх значений характеристик ТМП композиционных ыатераалоз на стадиях технологического процесса переработки их в из-

Рис.2. Расположение ШШ при диффузионных измерениях

1 - исследуемое тело; 2 - термопара; 3,4 - электроды преобразователей

делия, характеризующихся "нормальной" диффузией растворителей. Единой метрологической платформой предлагаемых методов и устройств является использование принципа измерения локалышх значений концентрации на основе ЭДС гальванических преобразователей.

В качестве математического описания процессов ТМП на данных стадиях рассмотрена система нединсбиых уравнений взаиис вязанного ТМП с соответствующими краевыми у слоеный, искомые параметры которой - характеристики ТМП - существенно зависят от температуры анализируемой среды и концентрации распределенных в вей веществ.

Рассматриваемый класс материалов нг основе целлюлозы и ее производных представляет собой мелкодисперсные сыпучие среды н волокнистые твердые материалы с распределенным;; в них различными растворителями. Тепло- и массо-перенос в них мокет быть как судсстшшо взаиыосгязднньш, так и с различной инерционностью развития полей концентрации н температуры.

Б связи с этим разработали соответствующие типы устройств для опредгле- . ння характерного ТМП различных груш анализируемого класса материалов: устройство первого тепа - дамгпсо днсперс:;ых сыпучих сред е существенной зависимостью тсплагикзсти распредапашшх в таердрй фазе растворителей от температуры; устройство второго ткаа - дм систем мелкодисперсный сыпучий материал - растворитель, в которых нзиезеннш теплоемкости растворителей с температурой можно пренебречь; и устройство третьего типа - для исследования твердых волокнистых материалов с возможностью определения искомых характеря-стик ТМП вдоль и поперек волокон КПМ.

Разработанные метода дня определения ТФХ к ДХ анализируемых материалов характеризуются использованием евшого подхода к тепловому и (или) концентрационному воздействиям на исследуемые образцы, которые позволяют получить явные аналитические зависимости для определения характеристик ТМП в комплексе или по отдельности.

Для исследования характеристик ТМП исследуемый образец в виде полуог-раниченнон среды с равномерным начальным распределением температуры Тг и концентрации растворителя и^ подвергается воздействию окружающей среды с интенсивностью, исключающей внгшыедиффузнонное сопротивление. В результате на поверхности х=0 образца в момент времени т=0 скачкообразно устанавливают и поддерживают постоянными значения температуры Те и концентрации и?.

Технологией производства и переработки исследуемых материалов предусмотрены ограничения на температуру теплоносителей доя исключения явлений интенсивного парообразования растворителей, резко ухудшающих качество изде-

лий. Погго?-{у физическую модель метода реашпуют при температурах, позво-ляо цугх исключить из рассмотрения крэтериП фазового превращения внутри тела При этом, в случае взаимосвязанного ТМП температурное Т(х,т) и концентрационное Ь'( х, т) поля в исследуемом образце моделируются крас г. ой задачей:

5т '

Л ах

эи

дх

С(и,Т)р0 и(х,0) =

ди.

ВТ, дх '

дх

Ци,Т)

Эх 31

Кт(и,Т)

д! дх

дх

, х > 0, т > 0;

Эх

и„ Т(х,0> = Т„ и(0,т)~и,, Т(0,т)»Т,( дТ

дх

(х.т! =0,

(1)

(2)

(3)

иг,и,,Т„Т,,р0-ссш-П *и(; Т, *ТГ

где и - кекцигтрацги распредеяеннзго з дкгперсгоЯ сргде растворителя; Т - температура; Ко н Кт - коэффициенты диффузии н чермодиффузии; С - удельная теплоемкость аиалнз:фуе!50й срзды; X - теплопроводность; ро * плотность сухого материала; х - пространственная косряанзта; т - время.

При существенных различиях в инерционности полей температуры и концентрации а образцах раздельное определение ТФХ н ДХ осуществляется в частных случаях краевой задачи (1>{3): дал теплоПеренсса (в отсутствие заметного перераспределит растворкгеяя) или для изотермической касеопроводлости.

Технологией переработал мелкодисперсных материалоз на основе целлюлозы и ее производных предусматривается использование растворителей как с существенной зависимостью теплоемкости от температуры (например, этанола), так и практически с неизменными ее згачаатня в рассматриваемых температурных диапазонах (еодз и пр.). Учитывая, что я тагяк дисперсных средзх наблюдается существенная взлжосвязь процессов тепло- и мзссояереноса в ходе технологической переработал, необходимо разработать методы и устройства для комплексного определешц харгхтерветвх ТМП.

Для матеркатоз с существенной зависимостью теплоемкости растворителей от температуры получены расчетные урагаегагя для комплексного определения ТФХ н ДХ на основе ретеяяя обратной задачи (1>(3):

х»Хх..т)Г<Ш(х.,т)] 2р0т [ ¿1

АТ(х.,х)

к0(и,т).

(4)

Лх

где а - температуропроводность анализируемой среды.

В большинстве слу чаен в рассматриваемых температурных диапазонах переработки материалов из целлюлозного сырья терыодиффузией можно пренебречь. Если термодиффузия вносит заметный вклад в транспорт распределенного в среде растворителя, то коэффициент тсрмодиффузил мокэт быть определен по следующему соотношению:

В качестве отклика на температурио-концентращклгаое воздействие на и с- . следуемый образец при реализации данного метода используются изменения во

вещества в расчетном сеченкк х=х>.

С целью снижения погрешностей определения характеристик ТМП разработаны методы, алгоритмы н программы 'оппшиззщш конструктивных параметров измерительных устройств, реализующих предвоенный кетод, по критерию точности. Для решения датой задачи проведен ¡петрологический анализ расчетных уравнений (4}-(8) и выявлены компоненты погрешностей, зависящие от конструктивных параметров устройств.

На основе анализа щтеизтическнх моделей погрешностей, описывающих зависимости относительных погрешностей измерения искомых характеристик ТМП от погрешностей непосредственно измеряемых физических величин (приведенных в главе 5) установлено, что в выражения для погрешностей определения температуропроводности, теплопроводности к диффузионных характеристик входят объединенные компонента (соответственно 5ь 65, 63), зависящие от значения расчетного сечения х.. Причем, зависимость этих компонент от х> носит экстремальный характер, количественные показатели которого зависят от толщины информативного слоя применяемых. ПИП, а также от значений самих искомых характеристик ТМП. Разработаные методы и алгоритмы позволяют определять необходимые конструктивные параметры измерительных устройств в зависимости от применяемых ПИП, обеспечивающие оптимальную глубину размещения преобразователей от поверхности тепло- и массообмена исследуемого образца с окружающей средой при комплексном определении характеристик ТМП разработанным мето-

(8)

времени локальных значений температуры, концентрации, потоков тепла и массы

дом. Данные алгоритмы реализованы при оптимизации конструкции измерительного устройства первого типа для комплексного определения характеристик ТМ11 дисперсных систем с существенной зависимостью теплоемкости распределенных растворителей от температуры.

Для систем дисперсная среда-растгоритель, в которых изменением теплоемкости зддкой фазы в рассматриваемых диапазонах изменения температуры в технологическом процессе можно пренебречь, с целью повышения точности определения характеристик ТМП разработан метод, использующий в качестве отклика на температурно-концентрациошюе воздействие согласно (I )-{3) изменения локальных значений температуры и концентрации в расчетном сечении х = х« Уравнения для определения характеристик ТМП имеют вид:

Ки(и,Т) - +1 J[U(x.,v) _ u,]v-Kdv

dt

(9)

4XK l \

dTfwt)]"'í, fT(x./t)-T,

"dT-J Г1—7T~

+ i J[T(x.,v) - T,jv^dv 1+ Cs í U(x.,v)

dT(x.,v) dv

a(U,T) =

4т*

1 +

Cs

dv 7v

íHñHTffcjP

(10)

¿tx ^Ox, dv j

Tipa существенном влияния термодвффузии на процесс шссопереносз коэффициент термодиффузгт определяется по расчетному соотношению:

KT(U,7) - " U' ♦ ¡j[U(x.,V) - Ü,] v*d v -

„ m„dU(x.,T)lfdT(x.,t)T' -к„(и,т) — dT~J •

(12)

Метод предусматривает предварительное определешгг теплоемкости "сухой" среды Со(Т) а растворителя Сз, что не вызывает затруднений, ввиду отсутствия влияния масссобмена на теплообмен, а эффективную теплоемкость дисперсной среды с распределенным в ней растворителем определяют по выражению:

С^и,Т)=Со(Т)+С$и. (13)

С целью снижения погрешностей определений характеристик ТМП рассмотрены вопросы оптимизации конструктивных параметров измерительных устройств, реализующих предложенный метод, по критерию точности. Относительные погрешности определенна искомых характеристик ТМП (на основе разработанных и представленных в глазе 5 математических моделей погрешностей) могут быть выражены в виде

HZvhfe+Шки).

где 84, Sj - объединенные компоненты погрешностей, завися!щг; от конструктивных параметров измерительных устройств; 5,(Л), 6i(a), 3,{Ки) - компоненты погрешностей определения ссотБгтетауюндих характеристик ТМП, для которых приняты оценки сверху.

Анализ объединенных компонент. £4 и S< показал, что их зависимость от х-носит экстремальный характер, пркчел, значенш м;;;глыуиог дашпдх функций и характер их изменения зависит спг толелшы информативного слоя применяемых ПИП и от значений исковых характеристик НЛП. Разработаны методы, алгоритмы и программы определения необходимых ишетрукпаишх параметров измерительных устройств в зшшевдости ог применяемых ПИП, обеспечивающих ошн-мальную глубину размещения ярообразоззхелей в образца при комплексном и раздельном определяет ТФХ в ДХ анализируемых материалов. Данные алгоритмы реализованы прн оотимазацки изыгрэтелшого устройства второго типа для комплексного ояредеяггшя характеристик систем дисперсная среда - растворитель, в которых измененном тсгаошкостн жидкой фазы с температурой можно пренебречь.

В волокнистых КПМ иа основе целлюлозы н ее производных часто скорость распространения тепла значотелыю превосходит скорость диффузии распределенного в твердой фазе растворителя, а значения характеристик ТМП вдоль волокон существенно отличаются от аналогичных при тепло- и масебпереносе поперек волокон. Разработанные метода поиска оптимальных копструкпшхшх решений реализованы при проектирозаши конструкции измерительного устройства третье-то типа, предназначенного для определения характеристик ТЫЛ волскннстых материалов как в комплексе, так и г.о отдельности (при значительных отличиях в скорости распространения тепла и массы вещества). Аналогично вышеизложенному определены оптимальные значения глубины размещения гальванических преобразователей концентрации при определении коэффициента диффузии растворителя в случаях существенно более значительной инерционности диффузнон-ных процессов по сравнению с теплопроводностью.

Конструкции измерительных устройств первого, второго и третьего типов разрабатывались согласно треСккшппо их ункф:тациа с остальными узлами автоматизированной системы контроля хара:ггернстак ТМП сыпучих н волокнистых материалов на осноа: цгллюлозн и ее про:сзодаых. Ош имг:от одинаковые размеры а внешний вид, ко разлгпзотса копструкпдей кзмерительией кассеты, з которую помешается исследуемый материал.

В устройствах перпого и второго 110303 исследуемый образец формируется в виде стержня круглого сечеяня, для чего сыпучий материал помещается в шгаи-дрдаескую хассегу я лоддгр^сгзг.отсл з ней с помощью проницаемой егтки. В устройстве первого типа кксста итоякепз т даух частей (габарита когорт определены о результате оптимизации кокструктЕвиых параметров г.о точности), между которыми закладывается'прогпздаемый тепломер с размещешшмн на нем термопарами п гальзаятгкекиии преобргзогзтглпмп. Боковая погерхпость кассеты снабзееиа нцогосехщгоякым электронагревателем, служащим для обеспечения пулевых крепадоз температур мегхду боковой поверхностью образка и внешней позерхшетыо кассети, с помощью дифференциальных термопар.

Верхняя часть кгссст пернегвируетез спецпальним устройством, снабженным тернопгрой а ггльсзяяческим прзсЗрзадзатеяем для контроля за соблюдением условий пслуогрзЕичештоста обрата в тгчгтшё опыта.

Устройство второго тепа ккетг неразъемную цилиндрическую кассету с размещенными з ней тгрмопгрой к пь'пегкнчееккм преобразователем на расстоянии, определенном в результанта епткмизацза ггопстругпташх параметров устройства по тсчкосгЕ. Конструкция кассеты упрощена в результате проведенных метрологических исследований зз счет заигкы нагревателей, служащих для создания условия адпабзтичиоста по божееой поверхности образца, на слой тсплопзолятора. В остальном конструктивные реппнич в устройствах первого и аторого типов аналогичны.

В устройстве третьего тала для исследования твердых пластинчатых волокнистых матерпалоз нзмерэтельная гассега выполнена в виде прижимных плоскостей с нзпрззллюпптми плгетннггмп, между которыми зажимаются прямоугольные полосы исследуемого катграгтз, формпрующпе образец в виде стержня прямоугольного езчепкя. Приящлшальным отлипнем данного технического решения от изесспшх является оркен-птрогание потоков тепла и массы вдоль плоскостей контакта плаепп! друг с другом, что исключает существенное влияние контактного сопротивления па процесс распространения тепла и массы и повышает точность опредглешм характеристик ТМП. Кроме того, конструкция измерительной кассета обеспечивает еозмояягоегь ясследов-ишя характеристик ТМП вдоль и поперек волокон материала.

Для повышения эффективности исследований характеристик ТМП рассматриваемого класса материалов с использованием измерительных устройств первого, второго и третьего типов разработана н создана АСК, которая обеспечивает автоматизированное проведение эксперимента, измерение и регистрацию в режиме реального времени необходимой экспериментальной информации и расчет по разработанным алгоритмам искомых характеристик.

АСК включает в свой состав (рис. 3): измерительное устройство 2 (первого, второго или третьего типоз) с испытуемым материалом 4, выполненным в виде стержня прямоугольного тки круглого сечения, изолированного по боковой поверхности и с верхнего торца; аэродинамическую трубу 6, в которую помещается измерительное устройство для теплового и (или) массообменного воздействия;

персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) 12, укомплектованную адаптером И с АЦП и ЦАП и таймером 13; блок согласования 7; блок питания нагревателей 8; тепловекпшяционную систему 9 и парогенератор 10.

В результате анализа способов воздействия иа образец, с целью получения необходимого для расчетов отклика изменений соответствующих параметров, в качестве средства для формирования граничных условий задачи (1)~ (3) было выбрано использование высокоскоростного порога теплоносителя с варьируемым Рнс.З. Структурная схема АСК значением относительной упругости паров характеристик ТМП пра растворителя, которое обеспечивается приме-"нормальнс,." деффузия нснием шрОгенератарас регулируемым расходом пара. В процессе васведозааяй ПЭВМ 12 типа ЮМ РС через блох согласования 7 а адаптер 11 управляет блоком питания нагревателей 8 теплоБеитиляца-онной системы 9 в парогенератором 10, обеспечивая постоянные значения температуры и концентраций на. торцевсследуемого образца (поверхность тепло- и массообмена образца с окружавшей средой), фиксируемые с помощью термопары и гальванического преобразователя в точке 5. Информация с первичных измерительных преобрззозаггепей, расположенных га заданной глубине от поверхности тепло- и массообмена (точка 3), используется в качестве отклика на формируемое в процесс» згхпгрпиеэтв воздействие в свукит для расчета искомых характеристик ТМП. Преобразователи, расположенные в точке 1, слуют для

задания длптелькоста огшта, который заканчягвггся при отклонении температуры и (или) концентрации верхнего торца образца от начальных значений.

В главе рассмотрены тахже основные измерительные операции ирн использовании создаишгх устройств первого, второго и третьего типов, а также ряд результатов определения характеристик TMQ, полуденных при применении разработанных измерительных устрой ста я ACIC Оценка достоверности полученных результатов осуществлялась з результате псслздо^апшх адекватности выбранных ыатема-пгчесяя: моделей ф:пцчес:сому процессу, реалгповзиному в эксперименте, и устойчивости методов, m-зз отсутствия до нзгтоящего времени эталонных материалов для исследования хсражрпстгк ТМП. Получаемые данные по ТФХ н ДХ исследуемых материалов слугшвт основанием для расчета теоретических кривых изменения температуры и концентрации в заданных сечениях образца в результате чкеяешгого решении прямей нелинейной задзчн тепло- и массопереноса при условиях, реализованных в иеззвпеимом эксперименте. Сравнение расчетных и экспериментальных кривых изменения температуры и концентрация в различных сечениях исследуемых образцов подтвердили адекватность используемых математических моделей реальному фязвческому экспер55мешу при определении характеристик ТМП в условиях "нориалшой" (фкковской) диффузии и достоверность полученных данных по искомым ТФХ и ДХ.

Четвертая глар.а посвящена разработке методов и технических средств, обеспечивающих возможность измерения локальных значений эффективного коэффициента диффузия растворителей в материалах на оснозе целлюлозы ее производных на стадиях техпроцесса, характеризующихся аномальным массоперено-сом. Данные стадии, как правило, следуют за процессами формования изделий из рассматриваемого класса материалов и связаны с диффузией в КПМ активных растворителей. При этом эффективные коэффициенты диффузии необходимо определять, реализуя' в эксперименте реальные производственные условия тепло- и массообмеяа изделий с окружающей средой, так как их изменение существенно влияет на структуру перерабатываемого материала и, как следствие, на значения искомого коэффициента. Помимо существенных затруднений, обусловленных аномальным характером диффузия, ослош;еш;е задачи контроля вызвано значительной усадкой изделий, а таске наблюдаемыми явлениями изменения сорбци-ошой емкости перерабатываемого материала, что вызызает неоднозначность статических характеристик преобразователей концентрации.

Для реализации разработанных методов и созданных на их базе технических средств использоватся предложенный принцип электрохимического контроля, адаптированный к явлениям непостоянства сорбционных характеристик перерабатываемых КПМ. Проведенное комплексное исследование изменения сорбционныч

характерней:»: рассматриваемых материалов, получаемых в разл:ггаьгх по кестко-сш реж:!?.:ах удаленна нз щдзлаЯ на ех основе тагсшкых растворителей, и выходных характеристик применяемых гальванических преобразователей позволило ус-заиоиить связь кс^-.сду нормализованными значениями ЭДС ГП и значениями химического потенциала растворителя в-дисперсной среде.

Несмотря на то, что изменяющиеся условия технологического процесса вызывают смещение кривых изменения нормализованных значений ЭДС гальванических преобразователей вдоль оси концентрации для одного и того хгс материала, перерабатываемого в разных условиях, в координатах - 1п Р / Р$ = удается построить единые корреляционные зависимости для каждого конкретного материала. Таким образом, нормализованное значение Е соответствует гаменешяо химического потенциала растворителя, определяемого через относительную упругость паров растворителя Р/Р5 в газовой фазе, находящейся в равновесии с перерабатываемым материалом. С кашей точки зрения это не случайно, так кат; выходная характеристика ГП определяется энергией связи растворителя с дисперсной средой. При изменении режимов обработан изделий на стадии удаления активных растворителей меняется пористость, надмолекулярная структура полимера, степень кристалличности и пр., вызывая изменение равновесных значений содержащегося в не?.: растворителя, соответствующих одинаковым значениям Р/ Р5. Однако, энергия связи растворителя с материалом при заданном значении Р / РЕ остается практически неизменной в определяется химической природой КПМ, наличием полярных групп, услсзтшв заполнения активных центров при конкретном значении Р/Р4 и т.п. А именно энергия связи и определяет выходную характеристику гальвааичгскнх преобразователей.

Обеспечение возможности контроля локальных значений химического потенциала и растворителей в дисперсной среде позволило разработать методы измерения эффективного коэффициента днффузла в случае аномального массопере-носа растворителей в пдюрабзшвагмых материалах и в случае диффузии в многослойных изделиях.

Расчетное уравнение для опргдеяшш! диффузионной характеристики перерабатываемого материала при ашэдвлыюм кассопереносс получено в виде:

Л*»-*)

(14)

где О^

ро ишр>т

эффективное значен:;« коэффициента диффузии актив-

ного растворителя; Кц - кшегяческяй коэффициент;

/(х,,т) = р0—]ц(х,т)с1х.

(15)

Для реализации иетодоз определенна эффективного коэффициента диффузии разработано измерительное устройство четгертого типа, позволяющее проводить исследования в условиях значительной усадка материалов изделий, а также авто-мапшфозанная система контроля (рис.4), обеспечивающая воспроизведение различных проязсодстгешшх условий стадий удаления активного растворителя из КПМ.

X

1в 17 18

Рнс.4. Структурная схема АСК эффективного коэффициента аномальной диффузии

В измерительно,',« устройстве четвертого типа исследуемый материал в ферме пластины с ориентированным расположением волокон зажимается между двумя прозрачными плоскостями, обеспечивающими фиксацию в материале, находящемся в Бысохоэластическом состояния,.электродов гальванических преобразователей, натянутых по обе стороны исследуемой пластины с помощью коорди.чзт кого устройства, в различных точках изделия перпендикулярно распространению

растворителя. Прозрачные плоскосга.устройства обеспечивают вместе с уплотнениями герметизацию боковой поверхности образца и возможность визуального контроля перемещений электродов гальванических ПИП вследствие усадки изделия с помощью оптической аппаратуры.

Определение эффективных значений коэффициента диффузии осуществляется непосредственно в ходе моделируемого АСК технологического процесса на стадии удаления из изделий активного растворителя.

АСК включает в свой состав (рис. 4): измерительное устройство 8 с испытуемым материалом, выполненным в виде пластины и заключенным между двумя прозрачными плоскостями 7, обеспечивающими вместе с уплотнениями его изоляцию по боковой поверхности; термостатированную климатическую камеру 1, выполненную на базе вакуумного термостата, в которой размещается на раме измерительное устройство 8 для теплового и массообменного воздействия; ПЭВМ 26, укомплектованную адаптером 27 с АЦП н ЦАП и таймером 25; блок согласования 29. прит очно-вытяжную систему 17, парогенератор 16; нагреватели 23; испаритель холодильника 24; первичные измерительные преобразователи температуры 14, содержания паров растворителя 15 и давления 13 с преобразователями 2S. 30. первичные измерительные преобразователи анемометров 3, 12 с преобразователями 19,21; блок управления 20 вентиляторами 18,22; катетометр (на схеме не показан).

Измерительное устройство £ снабжено гальваническими первичными измерительными преобразователен 4 - б, 9,10, размещенными во внутренних сечениях образца для контроля пространственных распределений химического потенциала растворителей. Гальванический преобразователь 11 и термопара 2 расположены на открытом торце образца и сдуязгг для кошроля изменений потеншгалоз тепло- и маесопереноса eis поверхностях тепло- и ыассорбмена образца с окружающей средой. Преобразователи температуры' 14, содержания паров растворкге-ля 15 и давления. 13 спухат для управляли параметрами газовой фазы в климатической камере с помощью праточпо-вытиавоЙ системы 17, нагревателей 23, холодильника 24 и парогенератора 16.

Измерительное устройство 8 с испытуемым материалом помещается в термостатированную климатическую камеру, и которой организуется создание заданных параметров парогазовой фззы и скоростей газовых потоков. Разработана методика создания различных реязшоз удаленна ажтавиого растворителя из изделий, с целью исследования эволюции эффективного коэффициента диффузии, основанная на обеспечении в ходе техпроцесса изменений перепадов нормализованных значений ЭДС»альвашчгскнх преобразователей на поверхности изделия и в его центре.

При проведении испытаний с помощью гальванических преобразователей фиксируется црострапстЕетшо-Ерсммшог ргст^?деление значении химического потенциала растворителя а изделия, з с помощью охгпгчесхой системы - изменение координат расположения электровоз ГП г.сдгдстгчз усадки, и производится расчет эффективных значений коэффициентов диффузия.

Представленные в глазе 4 результаты исследования апсмгльноп диффузии свидетельствуют о том, что эффективные коэффициенты диффузии существенно зависят от условий прозедеши стадий удаления ¡шнвных ргстЕсрителей. Снижение шггенсишгосга массообмеяных прспгссоз приводят к закономерному уменьшению значений эффектного иззффгщпеяга диффузии пследстаие получения материалов с меньшей пористостью, Солее плотной упаковкой макромолекул, по-вишенпъшн зкачгнкякп степени кристалличности я пр., что для исследуемых материалов является улучшсшгсм показателей качества. Данине материалы и на последующих стадиях /¡ерерабспс!, например, при удалении инертных растворителей, характеризуются мегапппш значениями коэффициентов диффузии. В связи с янм разработана методика опрэдеяегехя рацпоиглкшх режимов стадий удаления активных ргстзортгтгдсгй га основе диффузионных измерений.

В пятой глясе пргведенн результаты расчетной и экспериментальной оценки погрешностей измерена« характеристик ТМП рассматриваемого клгсса материалов с использованием разработанных методов и устройств.

Проведен анализ источников погрешностей и оценены погрешности измерения потенцаалоз тепло- и ыгссопереносз, в качестве которых на стадиях, сопровождающихся "нормальней" диффузией, рассматриваются локальные значения температуры а концентрации, а на стадиях, осложненных аномальной диффузией, - значения химического потенциала. Оценены погрешности, обусловленные: а) теплоЕон инерцией ПИП; б) искажением температурного поля ПИП; в) погрешностью измерения ЭДС преобразователей; г) погрешностью градуировки ПИП; д) отличием реальной статической характеристики ПИП от номинальной, включая погрешность аппротсснмацшт; е) погреятсстью нормализации и квантования сигнала; ж) погрешностью округления результата АЦП при считывании; з) погрешностью округления конечного результата.

Рассмотрены источники погрешностей при измерении характеристик ТМП в условиях "нормальной" диффузии растворителей: а) частичное несоблюдение граничных условий на поверхности тепло- и массообмена исследуемого образца с потоком теплоносителя; б) частичное несоблюдение условий адиабатнчности на Соковой поверхности образца; в) инструментальные погрешности, обусловленные несовершенством технических средств измерения; г) погрешности алгоритмов обработки данных эксп^ркмеггга, обусловленные ззменой функциональных зависн-

мгстсй упрощелгалмн аппроксимирующими выражениями. В результате получены математические модели погрешностей, описывающие зависимость относительных погрешностей измерения Искомых характеристик ТМП от погрешностей непосредственно измеряемых физических величин (температуры, концентрации, потоков тепла и массы вещества, геометрических размеров и др.). Проведенные исследования показали, что существенное влияние па результат измерения характеристик ТМП вносит толщина информативного слоя, определяющего выходную характеристику применяемых первичных измерительных преобразователен, н величина координаты расчетного сечения х«. Разработанные методы и алгоритмы оптимизации конструкторских решений при проектировании измерительных устройств по критерию точности позволили определить значения х. для применяемых первичных измерэтелышх преобразователей, что легло в основу устройств первого, второго и третьего типов (глава 3).

Более высокая толщина информативного слоя при использовании тепломеров в измерительных устройствах первого типа предопределили не только более высокие значения оценок относительных погрешностей определения искомых характеристик ТМП: 8(Кц)=12..Л4 %; 5{Я)=10...11 %; 5(а)=14...16 %; Б(КТ) * 25.. 30 %, ко и необходимость использования в качестве расчетного большего значения х. по сравнению с измерительными устройствами второго типа.

При исследовании систем, инвариантных к изменению теплоемкости распределенных растворителей с температурой (измерительные устройства второго и третьего типов), при условии определения теплоемкости "сухой" среды Со(Т) и растворителя Сз априори, например, калориметрическими методами, получены следующие оценки точности определенна искомых характеристик: 5(Ки)=9... 10 %; 5(?.)<3 %; 8(а)£б'%; 6(КТ)«* 15.. .20 %.

После изготоа текил юмеретсяышх устройств ы АСК бьшк выполнены работы по экспериментальной оценке погрешностей определения характеристик ТМП разработанными методами. Случайную составляющую погрешности определяли традициошшм способом, путем статистической обработан результатов многократных испытаний. Установлено, что случайная погрешность результатов измерений при использозгнет тамергггешюго устройства иергого типа не превышает для теплопроводности - 7 %, темшратурощюйодиоста - 9 %, козффициеетов диффузии и термодиффузки - соотвстстгекно 9 н 21 % (при довергггелыюй вероятности 0,95). При использовали« измерительных устройств второго и третьего типов соответствующие значения погрешностей ие превышают для тепло- и температуропроводности - б %, для диффузии и термодиффузии - 8 и 16 %.

Аналогичные исхрологочсгкиз исследования били прогеденн для истодов исследования эффективного коэффициента диффузии с использованием измери-

тельного устройства четвертого типа в случаях аномального масссперечоса растворителей в анализируемых материалах.

В результате проведенных исследований получены теоретические опенки погрешностей определения эффективного коэффициента дпффуз;ти на уровне 18...23 % в зависимости от усадетс материала в процесса удаления активного растворителя. Статисп;чесхзя обработка результатов э:хпершлг1ггальпы>: исследований эффекшзкых значений коэффициента диффузии в сопоставимых условиях показала, что случайная погрешность результата нзиерешэт ае превышает 12...14 % при максимальной усадке 25...30 %.

В шестой гладе рассмотреть вопросы применения разработан::их методов и устройств теплофизотсского и диффузионного ко!гтроля для исследования характеристик ТМП различных дисперсных материалов, в том числе на основе целлюлозы и ее производилх, с целые шггенспфнкацш! процессов переработки их з изделия, з тахге вопросы использования предложенного принципа контроля энергия связи растворителей с тагрдоЗ фазой анализируемых вещестз при разработке, проектирования я езгдазшп первичных шмер*:ггль'.шх преобразователей генераторного типа яга реализации замкнутых систем управления диффузионными процессами.

Для материалов ка основе целлюлозного* сырья, проходящих переработку с участием акгэтных ртстзсригелей, рассмотрены вопросы использования измерительного устройства четвертого типа и АС1С для определения эффективных значений коэффициента диффузии растворителя при аномальном мгссопереносе. Показано, что дцффузис *шая херагтерпешха анализируемых материалов язляется чувствительным параметром к изменению структуры перерабатываемого КПМ и может быть использовала для решения задач повышения эффективности процессов переработки создаваемых материалов со специфическими свойствами в условиях аномальной дьффузки. Рассмотрена методика диффузионных испытаний материалов и поиска рациональных режа;^з удаления активных растворителей на основе диффузионных измерений.

Исследование хпрмсгернсгак ТМП рассматриваемого класса материалов, перерабатываемых в условиях "яориэд&яой" диффузии, проводилось с использованием измерительных устройств первого, второго и третьего типов. Результаты проведенных исследований использованы для интенсификации диффузионных производственных процессов с участием анализируемых ма; ер налов.

Для обеспечения возможности интенсификации процесса сушки древесных сортимаггов з камерных судшлках при соблюдении качества готовой продукции необходимо располагать данными по хзраетеристикам ТМП поступающего сырья. Исследование данных хараггеркстик было организовано с использованием изме-

рительного устройства третьего -пша-. Предложен и ргалюовак алгоритм! управления процессом сутки древесины в разработанной и изготовленной сушильной камере обт^мом 320 и3 с использованием получаемых данных по характеристикам ТМП поставляемого сырья, приведенный в приложении диссертации.

Предложенный принцип электрохимического котроля локальных значений концлпрзцги с помощью гальванических ГОШ применен при реализации вариационного метода определения коэффициента даффузил растаоретелей в покрытиях. позволяющий провод!гть исследования непосредственно на изделиях без разрушения их покрытий.

Принцип контроля энергетического состояния растворителя в дисперсной среде на основе измерений гальванической ЭДС применен также при проектировании и создании специального первичного измерительного преобразователя генераторного г,: л а для рехчизации замкнутых систем управления вла'-кностно-тепловымн процессами при воспроизводстве суп ер-элитных растений в сооружениях защищенного грунта. Разработанный ПИП представляет собой слой сорбента, нанесенный на непроницаемую подложку, в котором расположены электроды гальванического преобразователя Данный ПИП постоянно работает в условиях нестационарного влагопереноса в сорбсггге, обусловленном циклическими процессами сорбции-десорбции на его поверхности. Для создания специфической линамической характеристики разработанного ГОШ. решена задача поиска его конструктивных параметров на основе данных по диффузионным характеристикам сорбента и свойствам гальванических преобразователей. В приложении диссертации представлены различные модификации разработанных систем управления серии "Туман", основой которых является представленный ПИП. Разработанные системы управления внедрены в раде регионов России и СНГ.

Предложенный принцип контроля концентрации полярных растворителей в твердой фазе применен при разработке и создании устройств для ко I про л« гласности различных дисперсных материалов. На его основе сконструировал поточный влагомер сыпучих Материалов, который был использован в составе замкнутых систем управления процессами производства травяной муки на агрегатах тапа ЛВМ-1.5 и АВМ-0.65, а тазоке е составе системы управления процессом скоростной сушки семейного материала в шахтных сутшшках. Предложенный принцип электрохимического контролл реализовал татгхе при разработке, изготовлении и внедрении зкспресс-влагойероз ютцевих п с&тгсгсохозяйсгсешшх материалов.

Результаты исследовгный диссертационной работы внедрены и переданы для использования промышленным предприятиям, предприятиям по переработке сельскохозяйственной продукта! п научно-исследовательским учреждениям, в. том числе с реальными экоиомичесиялг эффектами.

В приложении рассмотрены вопросы проектирования сушильной камеры дл;. древесины и алгоритм управления, реалнзсвзклый с применением ПЭВМ на основе опытных данных по характеристикам ТМП перерабатываемого сырья. Приведены сведения об юмерительно-вичнслнтельной системе, реализующей алгоритм управления агрегатами для производства травяной муки, укомплектованной поточным влагомером готовой продукции генераторного тепа. Рассмотрены вопросы проектирования сушильной камеры для зерновых материалов, состав автоматизированной системы контроля диффузионных характеристик перерабатываемого сырья и система управления процессом сушки на базе разработанного паточного влагомера. Рассмотрены модификации систем управления серии "Туман", укомплектованных разработанным ПИП (реализующим предложенный принцип контроля концентрации растворителя в сорбенте) и предназначенных для использования в сооружениях защищенного грунта при зеспроизводстве супер-элитных растений. Приведены конструкции зггспресс-злагомеров, внедренных на предприятиях соответстяуютего профиля. Представлены акты внедрения результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложен принцип локального контроля энергии связи растворителей с твердой фазой анализируемых дисперсных сред при их нестационарной диффузии на основе измерений гальванической ЭДС с использованием электродных систем аналитической электрохимии. Разработаны методы и устройства контроля локальных значений концентрации полярных растворителей в дисперсных средах при диффузионных измерениях з условиях протекания процессов "нормальной" (фнковской) диффузии, а также локальных значений химического потенцната распределенных в исследуемых КПМ растворителей в условиях их аномальной диффузии, реализующие предложенный принцип электрохимического контроля Определены и обоснованы показатели локальности разработанных гальвяниче-схих преобразователей, физико-химические основы информативности и диапазоны работоспособности.

2. Разработаны теоретггческие основы новых методов определения характеристик тепло- и массопереноса дисперсных материалов на стадиях их переработки, сопровождающихся "нормальной" диффузией растворителей.

3. Разработаны теоретические основы методов измерения эффективного коэффициента диффузии растворителей в композиционных полимерных материатах на стадиях их переработки, осложненных явлениями аномального массопереноса, значительной усадки и изменения сорбционной емкости анализируемой дисперсной среды.

4 Разработали методы, алгоритмы и программы для оптимизации конструкторских решений при проекщровашш измерительных устройств, реализующих предложенные методы определения характеристик ТМП, по критерию точности. Определен:,? олтам.пышг конструктивные пзрг-четры измерительных устройств для различных групп исследуемых композиционных материалов и оптимальные воздействия на исследуемые образцы с целью обеспечения требуемой информативности контроля.

5, Разработаны конструкция четырех типов измерительных устройств для различных типов материалов ка основе целлюлозы и ее производных, предназначенных для измерения характеристик ТМП в условиях "нормальной" и аномальной диффузии распределенных в твердой фазе растворителей на различных этапах переработки исследуемых мзтер;шлов.

6. Разработаны азтомагашфозаниыг системы контроля характеристик ТМП при "нормальной" и аномальной диффузии растворителей в рассматриваемо:«! классе материалов, создано техническое, алгоритмическое, программное и метрологическое обеспечение предложенных АСК.

7 Приведены результаты теоретической и экспериментальной оценок погрешностей измерения характеристик ТМП с использованием разработанных методов, измерительных устройств л систем контроля.

8. Разработанные методы и устройства использованы для исследования характеристик ТМП создаваемых материалов па основе целлюлозы и ее производных на различных этапах нх промышленной переработки, а также ряда других материалов химической п сме-лшх с ней отраслей промышленности.

9. Разработано мэтодгкгсггоз, глгср;пгиг-исхос и программное обеспечение использования результатов измерения характеристик ТМП композиционных мегге-ризлов для решения задач повышеадз зффе5лвБностн их. прогпводства и переработки в условиях "нормальной" и аномальной даффузни распределенных веществ.

10. На основа предложенного принципа лояльного ачектрохимкческого контроля разработаны и созданы оригинальные первичные измерительные преобразователи, на базе которых реализованы и внедрены системы контроля и управления тепло- влаааюешьшк процессами в ряде со временных производств.

11. Результаты выдалнеших Егслгдований внедрены из предприятиях Рос-сш! и СНГ, экоиомкпгекпы зффгзег от Еагдреикя результатов диссертационной работы до 1990 г. составляет 933,7 тыс. руб., после 1990 г. - 64,5 млн. руб.. Материалы диссертации используются в учебных курсах Тамбовского государственного технического уннссрапсга при обучении студентов спедаализацгш 21.02.17 «Автоматизация ан&таткчегкого контроля технологических процессов и производств».

Основные материалы, отражающие содержите диссертационной работы, изложены з следующих публикациях:

1. Власов В.В., Беляез П.С., Мищенко C.B. Метод комплексного определения потенциалозавнсимых характеристик тепловлагопереноса // Изв. высш. учебн. заведений. Энергетика. - 1977. - № 1. - С. 97-101.

2. Власов В .В., Мхпцешсо C.B., Бгляез П.С. Теоретические основы метода определения коэффициентов диффузии плггн а капиллярно-перистых телах// Изв. высш. учебн. заведений. Энергетиха..- 1977. - 7 с. - Деп. в ВИНИТИ 15.06.77, № 3585-77.

3. Власов В.В., Беляев П.С., Мищенко C.B. Определение нестационарных потоков тепла и массы в одной задаче связанного тепловлагопереноса // Автоматизация и комплексная механизация химико-технологических процессов: Межвуз. сб. научи, трудов. - Ярославль, 1978. - С. 52-53.

4. Решение обратных задач тепломассопереноса с помощью подстановки Больцмана / В.В. Власов, A.A. Гухман, П.С. Беляез и др. // Тепломассообмен в энергетических установках: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. коиф,- Тула, 1979.Ч. 1.- С. 111-112.

5. A.C. 807735 СССР, MICH G Ol N25/56. Способ определения коэффициента диффузии влаги / П.С. Беляев, В.В. Власов, C.B. Мищенко.-1941.

6. Устройства для измерения теплофпзических характеристак твердых и ¡жидких сред / И.Н. Акулинии, П.С. Беляев, C.B. Мищенко и др.// Промышленная теплотехника. - 1981. - Т. 3, i fs 1. - С. 38-43.

7. Беляев П.С., Власов В.В. Метод определения комплекса коэффициентов системы нелинейных дифференциальных уразнений взаимосвязанного тепломас-сопереноса // Автоматгокрозаяные системы оптимального управления технологическими процессами. - Тула, 1981,- С. 31-36.

3. Беляев П.С., Мищенко C.B., Пономарев С.З. Идентификация коэффициентов математической модели сушки дисперсных материалов// Сушка и грануляция продуктов микробиологического н тонкого химического синтеза. - 1982. - Ч. 2. -С. 7Г-32. - Дсп. в НИИТЭХИМ, Кэ 768-хп-Д82.

9. Пономарев C.B., Беляев П С., Серегина В.Г. Расчет полей концентрации в капиллярпо-порпстых полимерных материалах с учетом их усадки или набухания в ходе технологического процесса /'/ Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия: Тез. докл. Всесоюз. науч. - техн. коиф. - М., 1982. - Т. 2. - С. 135-136.

10. Беляев П.С., Мищенко C.B. Измерение локального влагосодержания з слое дчсперсного материала // Достижения и перспективы работ в области разработки н внедрения средств измерения влажности продукции предприятий агропромышленного комплекса и других отраслей народного хозяйства: Тез. докл. седьмой Всесоюз. науч. -техн. конф. - Кутаиси, 1984. - С. 56-57.

11. К попросу о повышении качества продукции при высокотемпературной сушке зелгных кормов / П.С. Белягв, C.B. Мищенко, A.A. Чуриков -л др. // Совер-шеиствозшше техники, технологии сушки сельскохозяйственных и пищевых продуктов в соответствии с Продовольственной программой: Тез. докл. Всесоюз. науч. - техн. конф. - 3 секция. - M., 19С4. - С. 42-43.

12. Беляев П.С., Мищенко C.B., Акулннин И.Н. К вопросу об измерении локального влагосодеряошш в слое дисперсного материала И Процессы и оборудование для гранулирования продуктов микробиологического синтеза: Тез. докл. Всесоюз, науч. - техн. конф. - Тамбов, 1984. - С. 13.

13 A.C. 202380 СССР. Способ опрсделешм коэффициента диффузии / П.С. Беляев. И.Б. Дидрихсен, C.B. Мищенко в др. - 1984.

14. Приборы контроля и управления влажностно-тепловыми процессами: Справочная книга / П.С. Беляев, И.Ф. Бородат, C.B. Мищенко и др. - М.: Россель-хозизлат, 1985. - 239 с.

15. A.C. 1230532 СССР, МКИ А 01 F 12/00. Устройство для контроля наличия травмированного зерна но тешюфизаческим характеристикам/ C.B. Мищенко, А.И. Жирнов, П.С. Беляев и дрУ/Б.И. 18. - 1986. - 3 с.

16. Мищенко C.B., Беляев П.С., Пономарев C.B. О выборе оптимального расчетного сечения при комплексном определении характеристик тепломассопе-реноса // Процессы и аппараты для микробиологических производств: Тез. докл. Всесоюз. конф. "Биотехника - S6". - Грозный, 1986. - С. 75

17 Мищенко C.B., Беляев П.С., Касаез Х.А. Методы и средства измерения локальных концентраций пра исследовании характеристик массопереноса дисперсных сред / Тамбове;;, нн-т хим. машнностр.- Тамбов,. 1986,- 10 е.- Деп. в ОНИИТЭХИМ 01.03.86, М> 9Ô8-xu-66.

18. Мищенко C.B., Беляев НС, Жирнов А.И. 'Установка для исследования свойств химикатов-добавок для полимерных, материалов// Синтез и исследование эффективности химикатов для полимерных ыатер51алоз: Тез. докл. VIII Всесоюз. конф. - Тамбов, I9S6.-C. 162-163.

19. Мищенко C.B., Беляев П.С., Пгтраес IO.M. Методы исследования тспло-физических н кш;гтпчсс~к дисперсных материалов I Тамбове»: ин-т хим. кашиностр.- Toî6qs, 19S6.- 2ß с. - Дед. в ОНИИТЭХИМ 01.08X6, № 969-хп-86.

20. Мищенко C.B., Besses П.С., Аруданяя А.П. Методы и средства контроля и управления процгссаии сысогосксросттюй сушки сельскохозяйственной продукции / Тамбова;, нн-тхш. шдшностр.- Тгмбоз, 1987,- 18 е.- Деп. в ВНИИТЭИ-агропром 13.11.86, Кз 20 ВС-Ё7 Дек.

21. Мнщенко..C.B., Беляев П.С., Пономарев C.B. К вопросу об управлении процессами сушки дисперсных материалов // Прикладные проблемы управления макросистемами: Тез. докл. 2-oïl Всесоюз. школы. -М., 1987. - С. 195-196.

22. Беляев П.С. Исследование способов организации граничных условий задач по определении хграктерияж тешхшгссопергносз // Современные проблемы газодинамики к тепломЕСсообиеш а пути позишения эффективности энергетических установок: Тез. докл. VÏ Всгсокэз. школы-семинара,-М., 1987,-С. 158.

23. A.C. 1376022 СССР, МКИ G 01 N 25/18. Способ автоматического определен™ температуропроводности/ СБ. Пономарев, C.B. Мищенко, П.С. Беляев, А.П. Фролов // Б.И. № 7. - 1988, - 4 с.

24. Беляев НС. Оценка точности опредглення тепловых к ыассообмегших свойств дисперсных материалов // Новейшие исследовании е области теплофтп-ческих свойе ,в: Тез. докл. Всесоюз. совещ. - ссмиягрз. - Тамбов, 1988. - С. 76-77.

25. АСУ влажностко-теплозыми параметрами/ П.С. Беляев, И.Ф. Бородин, C.B. Мищенко и др. - М.: Росггропромиздат, 198S. - 223 с.

26. Мищенко C.B., Беляев П.С., Фролов А.П. Определение локальных значений содержания жидкой фазы в дисперсных материалах // Метрология - 1988 -№8.-С. 55-61.

27. Несерийные машины и оборудование для механизации трудоемких процессов/ A.A. Цымбал, A.C. Пронь, П.С. Беляев и др. - М.: ЦНТИПР Госагропрома РСФСР, 1988. - 52 с.

28. Беляев П.С. Система "Туман" // Каталог машин н оборудования для механизации работ в плодопитомниках. - М.: ВДНХ СССР, 1989. - С. 59.

29. Беляев П.С. Параметрическая идентификация математической модели взаимосвязанного тепломассопереноса а волокнистых материалах с учетом анизотропии свойств // Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизированных производств: Тез. докл. Всесоюз. конф. - Тамбов, 1989. - С. 137.

30. Мищенко C.B., Беляев П.С. Комплексное определение потенциалозави-симых характеристик тепло- н массспереноса дисперсных материалов // Инж. -физ. хурн. - 1589. - Т. 56, На 5. - С. 773-779.

31. Мищенко C.B., Беляев П.С. Система управления туманообразутощимн установками //Садоводство я виноградарство. - 1989. -Кз 12, - С. 40-41.

32. A.C. 1556595 СССР, МКИ А 01 G 25/16. Автоматизированная оросительная система / C.B. Мищенко, П.С. Беляев, В.М. Жилкин и др.// Б.И. № 14. - 1990. -5 с. -

33. Бетяез П.С. Разработгса интегрированных автоматизированных систем научно-исследовательских и проектных работ для процессов тепломассопереноса// Теплофизика релг'гсируэдщкх систем: Тез. докл. X Всесоюз. теплофизической конф.- Тамбов, 1990.- С. 106-107.

34. Мищенко C.B., Беляев П.С. Система управления установкой "Туман-17/ Механизация и злектрифик^здя сельского хозяйства. -1991. - № 10. - С. 23-24.

35. Беляев П.С. Установка для исследования характеристик тепло- и массо-переиосз в дисперсных средзх // Кип. и нефтяное машиностроение.- 1992.- № 2. -С. 23-24.

36. A.C. 1726408 СССР, МКИ G 01 N 25/00. Способ комплексного определения характеристик тепло- н массопереноса кашшлярно-пористых и дисперсных мзтериалоз и устройство для его осущесталеиия / C.B. Мищенко, П.С. Беляев // Б.И. № 1. - 1^93. -11 с.

37. Беляев П.С. Повышенна эффехтетпости процессов тепло- и массоперено-са при ограничениях на тр.тдкепгш концентрации в перерабатываемых изделиях// Повышение эффективности тсплофизачеися исследований технологических процессов промышленного производства и их метрологического обеспечения: Тез. докл. 2 Мезвдунзрода. ссзезд.-семинара. - Тамбов, 1995. - С. 52-55.

38. Беляев П.С., Мйщеико C.B. Оптимизация процесса производства изделий из композицггоягеых полшерэих изтертагтоз // Математические методы в химии я химической технологии (ММХ-9): Тез. докл. Междунгродн. конф. - Тверь, 1995 -С. S6.

39. Беляев Г1.С. Определение локальных концентраций полярных растворителей з твердой фазе с аомощыб потенщюметрического преобразователя // Ново Лише достижения в области электрохимических методов анализа: Тез. докл. Российской электрохимической школы - Тамбов, 1995.-С. 33-35.

40. Beiyayev P.S., Mischenko S.V. Detemiination of Heat and Mass Transfer Characteristics in Disperse Mediums Containing Polar Solvents // 4th Asian Therniophysical Properties Conference.- Tokyo, Japan, 1995. - P. 503-506.

41 Беляев П.С., Мищенко C.B., Шлыков A.A. Автоматизированная система научных исследований характеристик тепло- и массопереноса дисперсных материалов И Заводская лаборатория. - 1996. - Ks 6,-С. 36-40.

42. Beiyayev P.S., Mischenko S.V. Heat and Mass Transfer Characteristics Determination at Two Stages of Composite Polymeric Material Article Production Psocess // 2nd European Thermal-Sciences and 14th UIT National Heat Transfer Conference.- Rome, Italy, 1996. - P. 1567-1572.

43. Исследование массопроводности полимерных материалов вариационным методом / С.В. Мищенко, В.Е. Подольский, П.С. Беляев, A.A. Шлыков // Вестник ТГТУ - 19%. - Т.2, Из 1-2. - С. 36-40.

44. Beiyayev P.S., Mischenko S.V., Shlykov A.A. Heat and Mass Transfer Characteristics Determination of Composite Polymerie Material // 14th European Conference on Therniophysical Properties. - Lyon-Villeurbaime, France, 1996 - РЗ-29,-P. 344.

?/ -fj- S"/ ¿3 - i ¿> WD Г-0/- J>5?> y

ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

|j i l|i 131ДЙ?М I5.AK ,/' : л;.. "На. правах рукописи fj m " t^l " 19- % - 2. //

:;.t y,

t.:

' &

^ г;-............

БЕЛЯЕНПаБШСерафимович

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.11,13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Мищенко C.B.

Тамбов - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ........................... 11

ВВЕДЕНИЕ................................................... 14

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫХ.................29

1.1. Полимерные материалы на основе целлюлозного сырья как

объект исследования.......................................29

1.1.1. Технология производства изделий из композиционных полимерных материалов на основе производных целлюлозы..... 31

1.1.2. Взаимодействие перерабатываемых материалов с низкомолекулярными веществами, математические

модели сорбционного равновесия..........................33

1.1.3. Математическое описание процессов тепло- и массопереноса

II ^ II

в рассматриваемом классе материалов при нормальной

дцффузии растворителей................................. 44

1.1.4. Современное состояние в области исследования и математического описания аномальной диффузии в

полимерных материалах................................. 57

1.2. Современное состояние в области контроля характеристик

тепло- и массопереноса дисперсных материалов..................68

1.2.1. Методы определения теплофизических характеристик

дисперсных материалов..................................70

1.2.2. Методы определения диффузионных характеристик

дисперсных материалов в условиях "нормальной" диффузии...... 76

1.2.3. Методы определения диффузионных характеристик полимерных

Материалов в условиях аномальной диффузии растворителей..... 85

1.2.4. Методы комплексного определения характеристик тепло- и

массопереноса дисперсных материалов......................88

1.3. Современное состояние в области контроля локальных

концентраций распределенных в твердой фазе веществ при диффузионных измерениях..................................91

1.3.1. Методы измерения локальных концентраций при исследовании диффузионных характеристик дисперсных

систем с пористой структурой.............................93

1.3.2. Методы и средства контроля локальных концентраций при исследовании молекулярной диффузии в системах полимер-растворитель...................................96

1.4. Постановка задачи исследования..............................99

2. ПРИНЦИП ЛОКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

СОСТОЯНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ В ДИСПЕРСНЫХ СРЕДАХ И ЕГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАПРЕДЁЛЕННЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ИХ «НОРМАЛЬНОЙ»

ДИФФУЗИИ ................................................107

2.1. Физико-химические основы информативных свойств гальванических

преобразователей в области связанного состояния растворителей.....113

2.2. Реализация принципа электрохимического контроля энергии связи

растворителей с твердой фазой при измерении локальных значений их концентрации в анализируемых дисперсных материалах........124

2.3. Исследование выходной характеристики гальванических преобразователей в условиях неравномерных распределений температуры и концентрации растворителей.................... 132

2.3.1. Выходная характеристика гальванических преобразователей в условиях неравномерных распределений концентрации растворителей.........................................133

2.3.2. Анализ влияния неравномерности распределения температуры

на выходную характеристику гальванических преобразователей .... 138

2.4. Обеспечение локальности контроля концентрации при использовании гальванических преобразователей.................140

2.5. Выводы по главе 2.........................................147

3. МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА ИССЛЕДУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СТАДИЯХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА С "НОРМАЛЬНОЙ" (ФИКОВСКОЙ) ДИФФУЗИЕЙ РАСТВОРИТЕЛЕЙ..................148

3.1. Теоретическое обоснование предлагаемых методов определения

характеристик тепло- и массопереноса дисперсных сред в зависимости от температуры материала и концентрации распределенных в нем веществ................................................ 149

3.1.1. Математическая модель методов и устройств, базовые соотношения между пространственными и временными переменными......................................... 151

3.1.2. Метод комплексного определения характеристик ТМП дисперсных систем с существенной зависимостью

теплоемкости растворителя от температуры...................154

3.1.3. Метод определения характеристик ТМП дисперсных систем, инвариантных к изменению теплоемкости растворителей

с температурой........................................ 159

3.1.4. О корректности полученных решений.......................165

3.2. Оптимизация проектно-конструкторских и технологических решений

в задачах контроля характеристик ТМП........................ 167

3.2.1. Анализ способов воздействия на объекты контроля.............168

3.2.2. Оптимизация конструкции измерительного устройства для комплексного определения характеристик ТМП дисперсных

систем с существенной зависимостью теплоемкости

растворителей от температуры.............................170

3.2.3. Оптимизация конструктивных параметров устройства для определения характеристик ТМП дисперсных систем, инвариантных к изменению теплоемкости растворителей

с температурой........................................ 176

3.3. Автоматизированная система контроля характеристик ТМП

исследуемых материалов....................................183

3.3.1. Состав автоматизированной системы контроля характеристик

ТМП дисперсных сред.................................. 184

3.3.2. Конструкция измерительного устройства первого типа и основные измерительные операции при комплексном определении характеристик ТМП сыпучих материалов с существенной зависимостью теплоемкости распределяемых

веществ от температуры................................. 187

3.3.3. Конструкция измерительного устройства второго типа и основные измерительные операции при определении характеристик ТМП мелкодисперсных систем, инвариантных

к изменению теплоемкости растворителей с температурой........193

3.3.4. Конструкция измерительного устройства третьего типа и основные измерительные операции при определении характеристик ТМП волокнистых и твердых листовых материалов.............197

3.4. Апробация разработанных методов и устройств. Оценка достоверности

получаемых опытных данных по характеристикам ТМП............202

3.4.1. Результаты исследования характеристик ТМП дисперсных материалов...........................................203

3.4.2. Оценка адекватности математических моделей физическому эксперименту и устойчивости методов...................... 216

3.5. Выводы по главе 3........................................ 223

4. МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОНТРОЛЯ МАССОПРОВОДНОСТИ ПЕРЕРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СТАДИЯХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА, ОСЛОЖНЕННЫХ АНОМАЛЬНОЙ ДИФФУЗИЕЙ РАСТВОРИТЕЛЕЙ............................... 225

4.1. Идентификация химического потенциала растворителей по выходной характеристике гальванического преобразователя.................227

4.1.1. Комплексное исследование изменения сорбционных свойств перерабатываемых материалов в процессе удаления активных растворителей и выходной характеристики гальванических преобразователей...................................... 227

4.1.2. Построение обобщенной характеристики гальванических преобразователей в условиях изменения сорбционной емкости исследуемых материалов.................................237

4.2. Методы определения коэффициента диффузии растворителей

в условиях аномального массопереноса.........................247

4.2.1. Метод определения коэффициента диффузии растворителей в. процессах, осложненных конкурирующей скоростью структурообразования перерабатываемых материалов............248

4.2.2. Метод определения коэффициента диффузии в многослойных изделиях.............................................254

4.3. Автоматизированная система контроля коэффициентов диффузии растворителей при аномальном массопереносе в композиционных полимерных материалах на основе производных целлюлозы.........257

4.3.1. Состав автоматизированной системы контроля эффективных коэффициентов аномальной диффузии растворителей в полимерах..........................................257

4.3.2. Конструкция измерительного устройства четвертого типа и

основные измерительные операции при определении эффективных коэффициентов аномальной диффузии растворителей в КПМ .... 260

4.4. Применение разработанных методов и устройств для определения характеристик ТМП композиционных полимерных материалов на стадиях удаления активных растворителей...................... 266

4.5. Выводы по главе 4........................................ 274

5. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И

МАССОПЕРЕНОСА ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И

УСТРОЙСТВ................................................280

5.1. Анализ и оценка погрешностей измерения потенциалов

тепло- и массопереноса.....................................282

5.1.1. Оценка погрешностей измерения температуры.................283

5.1.2. Оценка погрешностей измерения локальных концентраций растворителей.........................................286

5.1.3. Оценка погрешности определения значений химического потенциала распределенного в дисперсной среде растворителя .... 288

5.2. Оценка точности определения характеристик ТМП анализируемых дисцерсных материалов при "нормальной" диффузии растворителей . . . 288

5.2.1. Исследование и анализ источников погрешностей определения характеристик ТМП разработанными методами................289

5.2.2. Результаты предварительной оценки погрешностей комплексного определения характеристик ТМП дисперсных систем с существенной зависимостью теплоемкости растворителей

от температуры........................................291

5.2.3. Результаты экспериментальной оценки погрешностей комплексного определения характеристик ТМП исследуемых материалов.......297

5.2.4. Результаты предварительной оценки погрешностей определения характеристик ТМП дисперсных систем, инвариантных к изменению теплоемкости растворителей с температурой.........300

5.2.5. Результаты экспериментальной оценки погрешностей определения характеристик ТМП дисперсных систем, инвариантных к изменению теплоемкости растворителей с температурой.........310

5.3. Оценка точности определения массопроводности композиционных материалов в условиях аномальной диффузии растворителей........311

5.3.1. Результаты предварительной оценки погрешностей определения эффективного коэффициента диффузии.....................311

5.3.2. Результаты экспериментальной оценки погрешностей определения эффективного коэффициента диффузии.....................313

5.4. Выводы по главе 5........................................ 314

6. ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕДЛОЖЕННОГО ПРИНЦИПА ЛОКАЛЬНОГО

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ РАСТВОРИТЕЛЕЙ

И РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ, УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ

КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА.......316

6.1. Исследование характеристик тепло- и массопереноса на различных стадиях производства и переработки КПМ на основе производных целлюлозы с целью интенсификации технологических процессов.....316

6.1.1. Определение рациональных режимов удаления активных растворителей из КПМ на основе диффузионных измерений ..... 317

6.1.2. Контроль характеристик ТМП материалов на основе целлюлозного сырья при "нормальной" диффузии растворителей..............329

6.2. Определение характеристик ТМП химикатов-добавок для

полимерных материалов....................................333

6.3. Организация контроля характеристик ТМП поступающего сырья

с целью интенсификации процесса сушки древесины на

Бокинском комбинате полносборного домостроения.............. 334

6.4. Применение предложенных гальванических ПИП при реализации вариационного метода исследования коэффициента диффузии растворителей в покрытиях из полимерных материалов............ 341

6.5. Применение предложенного принципа локального электрохимического контроля состояния растворителей при создании ПИП для систем управления тепло-влажностными процессами при воспроизводстве супер-элитного посадочного материала.........................346

6.6. Применение предложенного принципа контроля содержания распределенных в твердой фазе веществ при создании ПИП для систем управления процессами сушки сельскохозяйственных материалов.............................................356

6.7. Разработка устройств для экспресс-контроля влажности пищевых

и сельскохозяйственных материалов..........................361

6.8. ВывЬды по главе 6........................................363

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................366

ПРИЛОЖЕНИЕ I..............................................372

П.1. Разработка и реализация проекта сушильной камеры для древесины и создание системы управления процессом сушки на Бокинском

комбинате полносборного домостроения........................373

П. 1.1. Проектирование сушильной камеры периодического

действия............................................373

П. 1.2. Управление процессом сушки древесины в камерной сушилке

периодического действия................................374

П.2. Модификации разработанных систем управления тепло-влажностными

процессами в сооружениях защищенного грунта серии «Туман»......381

П.З. Контроль и управление процессом сушки при производстве

травяной муки........................................... 386

П.3.1. Функциональная схема автоматизации процесса производства

травяной муки........................................387

П.3.2. Состав измерительно-вычислительной системы для управления

процессом сушки при производстве травяной муки............389

П.4. Контроль и управление процессом сушки семенного материала

в шахтной сушилке....................................... 393

П.4.1 Проектирование и создание комплекса для сушки зерновых

материалов ........................................... 394

П.4.2. Управление процессом сушки семенного материала в шахтной

сушилке............................................ 401

П.5. Конструкции экспресс-влагомеров макаронных изделий и сыпучих

сельскохозяйственных материалов............................ 402

П.5.1. Конструкция и основные измерительные операции при

использовании экспресс-влагомеров макаронных изделий...... 402

П.5.2. Конструкция и основные измерительные операции при

использовании экспресс-влагомера сыпучих материалов в слое . . . 404

ПРИЛОЖЕНИЕ II............................................. 407

Перечень разработок по результатам диссертационной работы, внедренных

в других организациях . ........................................408

Акты использования результатов диссертационной работы............. 415

ЛИТЕРАТУРА.................................................493

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

КПМ - композиционные полимерные материалы; ТФХ - теплофизические характеристики; ДХ - диффузионные характеристики; ТМП - тепло- и массоперенос;

ОНЗТ - обратная нелинейная задача теплопроводности; ОНЗД - обратная нелинейная задача диффузии;

ОНЗТМП - обратная нелинейная нестационарная задача взаимосвязанного

тепло- и массопереноса; ПНЗТМП - прямая нелинейная нестационарная задача взаимосвязанного

тепло- и массопереноса; ЭДС - электродвижущая сила;

ПЭВМ - персональная электронная вычислительная машина;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;

АСК - автоматизированная система контроля;

АСР - автоматическая система регулирования;

ИВС - измерительно - вычислительная система;

ПТП - преобразователь теплового потока;

ПИП - первичный измерительный преобразователь;

ГП - гальванический преобразователь;

ММ - математическая модель;

ИК - инфракрасный;

ЯМР - ядерный магнитный резонанс;

ПГС - парогазовая среда;

ГУ - граничные условия;

т - время, с;

х - пространственная координата, м;

Т - температура, К;

Тс - температура стеклования, К;

U - концентрация распределенного в твердой фазе вещества, кг/кг; \х - химический потенциал, Дж/моль; q - плотность теплового потока, Вт/м2; j - плотность потока массы вещества, кг/(м2 с);

ju, jx - плотность соответственно диффузионного и термодиффузионного

потоков массы, кг/(м2с); Dab ~ коэффициент взаимной диффузии, м2/с; D*a - коэффициент самодиффузии компонента А, м2/с; уА - коэффициент активности компонента А; v*a - парциальный удельный объём компонента А, м3/моль; Ер - энергия активации диффузии, Дж/моль; X - теплопроводность, Вт/(м-К); а - температуропроводность, м2/с; С - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); С0 - удельная теплоёмкость материала при U=0, Дж/(кг К); Cs - удельная теплоёмкость распределяемого в материале вещества, Дж/(кг-К); Ки, D - коэффициент диффузии массы, м2/с; Кт - коэффициент термодиффузии массы, м2/(с-К); б^Кх/Ки - относительный коэффициент термодиффузии, 1/К; в - коэффициент фазового превращения; г* - удельная теплота парообразования, Дж/кг; ро - плотность сухого материала, кг/м3; а* - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 К); (3* - коэффициент массоотдачи, м/с;

Р§ - давление насыщенных паров растворителя, Па; Ф=Р/Р$ - относительная упругость паров растворителя; 11=8,314 - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Ьи=Ки/а - критерий Лыкова; В1=а*КД - критерий Био тепловой; В1т=р,К/(КиАр) - критерий Био массообменный; Е - ЭДС гальванического преобразователя, В; Е - нормализованное значение ЭДС ГП;

со - энергия связи растворителя с дисперсной сред