Способ определения влаготермических характеристик твердых пористых материалов в процессе сушки Советский патент 1988 года по МПК G01N25/56 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения характеристик нлаготерми ческого деформирования: коэффициента теплового расширения и коэффициента усадки твердых капиллярно-пористых материалов, например огнеупорных, керамических, строительных материалов, кожи, древесины, картона, и мо- жет быть использовано при разработке оптимальных режимов сушки твердых деформируемых материалов в металлургии, строительстве, промьшлен- ности строительных материалов, дере- вообрабатьшающей, целлюлозно-бумажной и легкой промьшленности.

Цель изобретения - расширение функционашьных возможностей путем обеспечения возможности определения также и коэффициента теплового расширения.

Для определения как коэффициентов теплового расширения образца, так и коэффициентов его усадки про- водят измерения деформации, влагосо- держания и температуры образца.

Последовательными интервалами, в которых можно принять постоянными значения обоих коэффициентов, что : создает предпосылки для расчета зна- чений этих коэффициентов в каждом ин ; тервале из системы двух уравнений, ; составленных для деформаций в двух I крайних точках интервала:

t + flWi ;

Л; of/3T;+, +/iacJ,+,,

т.е. из системы двух уравнений, составленных для двух измеренных значений другого параметра, зависящего от обоих определяемых параметров.

Л

Нагрев образца в процессе сушки и определение значений его температуры, влагосодержания и деформации последовательными интервалами позволяет составить для каждого интервала два уравнения в крайних его точках, описьшающих деформацию образца в каждой точке в зависимости от изменения температуры, влагосодержания образца и коэффициентов его усадки и теплового расширения:

Е; Ы; ,; Wt + 1 .

д 5

0

5

0

5 0 5

в которых Sj , 8,4,, /)Т,- и Л Т ,41 , Ла)( и d U) i4.( являются известными (измеренными) параметрами, а of и - переменными определяемыми параметрами.

Выбор каждого интервала измерения из условия постоянства в нем у и /з , т.е. c/i /,-f, , /Э| (в(1 , позволяет свести эту систему уравнений к системе двух уравнений с двумя неизвестными: 0 и /i . Это дает возможность рассчитать, исходя из указанных уравнений, значения коэффициентов теплов ого расширения о1 и усадки

1 образца для каждого интервала, I т.е. .определить параметры влаготермического деформирования материала в процессе сушки с нагревом, определяющие деформацио образца, вызванные как его тепловым расширением в результате нагрева, так и его усадкой в результате уменьшения влагосодержания, что расширяет функциональные возможности способа.

На фиг. 1 представлены кривые изменения в процессе сушки температуры Т(), влагосодержания ыС) и относительной деформации 6(11); на фиг. 2 - кривая зависимости коэффициента теплового расширения of от температуры Т; на фиг. 3 - кривая зависимости коэффициента усадки л от влагосодержания w для образца из кварцитоглинистой массы МКГ-, применяемой для изготовления монолитных футеровок сталеразливочных ковшей и других тепловых агрегатов (ТУ 14-8- 252-77); на фиг.-4 - функциональная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 5 - схема измерительного узла.

В процессе сушки образец из кварцитоглинистой массы МКГ-1 длиной 75 мм, внутренним диаметром 18 мм и наружным 24 мм с начальным влагосо- . держанием 8,9% нагревают от 22 до 120°С в течение одного часа. При этом кривые изменения его температуры Т(С), влагосодержания w (Ц) и относительной деформации в осевом направлении (t) имеют вид, представленный на фиг. 1.

Для расчета коэффициентов о и /} значения параметров образца Т, W и в процессе сушки выбирают через одинаковые интервалы времени, равные ЯП с. Коэффициенты теплового расшире314028994

ния d и усадки /5 образца определяют Устройство для реализации спосо- по формулам:ба (фиг. 4 и 5) содержит датчик 1

, i)cJ;,-E(idW-деформации в виде цилиндрического

лТ Гсо -ЛТ 4аГ S конденсатора с центральньм базовым

стержнем 2 и неподвижными пластина- J llJiZ §:; it.iми 3, зафиксированн то на стержне 2

,,-4T, 4.ieWj платформу 4, на которой через электроизоляционную прокладку 5 установКривые изменения козффициента теп-to лен образец 6 из исследуемого мате- лового расширения в зависимости от риала, размещенные на верхнем торце температуры и коэффициента усадки /J образца 6 подвижные пластины 7 кон- в зависимости от влагосодержания денсатора, датчик 8 температуры об- представлены на фиг. 2 и 3. . разца 6 в виде проволочного термоИз анализа этих кривых видно, что is резистора, намотанного на цилиндри- коэффициенты d и кварцитоглинистой ческую втулку из фторопласта, закреп- массы в процессе сушки претерпевают ленную на стержне 2, нагреватель 9 существенные изменения. Коэффициент с регулятором 10 температуры и ре- теплового расширения о( в начале суш- гистрируюший прибор II, например ки.значителен и резко убьшает от зна-20 пииущий потенциометр КСП-4. Измери- чеиия 5,6-10 до 05-10 К с по- тельный узел с датчиками 1 деформа- вышением температуры Т от 22 до 40°С ции и температуры 8 размещен в термо- при небольшом уменьшении влагосодер- статируемой камере 12 и подвешен к жания COOT 8,9 до 8,3%. При дальней- плечу 13 коромысла аналитических ве- шей сушке с повышением температуры 25 сов, например АДВ-200, являющихся Т от 40 до 80°С и уменьшением влаго- датчиком массы образца 6. Второе содержания от 8,3 до 1,3% коэффици- плечо 14 коромысла связано с элек- ент л изменяется незначительно. В тромагнитом 15. Весы содержат приз- конце сушки при удалении влаги гигро- му 16 для установки указанного коро- скопического состояния в микропорах 30 мысла, закрепленное на последнем и адсорбированной на поверхности час- , зеркало 17, источник 18 света, фото- тиц глинистого минерала коэффициент резистор 19 и пропорциональный регу теплового расширения возрастает до лятор 20 положения коромысла, значе йия 3,1.-1 О К. КоэффициентДатчик 1 деформации соединен с

усадки р, кварцитоглинистой массы в 5 регистрирующим прибором 1 I через начальной стадии сушки резко повьшга- преобразователь 21 емкости в напря- ется от значения 0,5 до 0,79 и за- жение.

тем.резко падает до значения 0,1 при Датчик 8 температуры образца 6 уменьшении влагосодержания to от 8,9 связан с регистрирующим прибором II до 8,3% и повьш1ении температуры Т от 40 через неуравновешенный мост 22 пос- 22 до . В периоде постоянной ско- тоянного тока.

рости сушки в интервале влагосодержа- Электромагнит 15 связан через ре- ния «08,3-1,3% и температуры Т 40- зистор 23 с масштабирующим преобра- коэффициент усадки сохраняет зователем 24, который, в свою оче- среднее значение 0,06 ив периоде 5 , подсоединен к регистрирующему падающей скорости сушки возрастает прибору П. Стержень 2 и неподвижные до значения 0,4. Столь резкое возрас- пластины 3 конденсатора изготовлены тание коэффициента усадки в конце как одно целое из инвара марки сушки приводит к тому, что интенсив- 36 НКД, обладающего очень низким ко- ность усадки преобладает над интен- CQ эффициентом теплового расширения сивностью теплового расширения. Это (1 К) . Подвижные пластины 7 и обуславливает изменение знака суммар- платформа 4 изготовлены из того же ной деформации кварцитоглинистой мае- материала.

сы: при влагосодержании сд и Датчик 8 температуры выполнен.в температуре Т положительная gg виде проволочного терморезистора, деформация термического расширения например из меди или никеля, намо- переходит в отрицательную усадочную .тайного на цилиндрическую втулку из деформацию {см, кривую () на фторопласта, закрепленную на стерж- фиг, 1).не 2,

В камере 12 установлен также дат- ик 25 температуры в виде проволочного терморезистора, связанного с регулятором 10 температуры, например типа Ф-303.

Устройство работает следующим образом.

Образец 6, спрессованный из увлажненного материала, в виде полого цилиндра длиной 75-80 мм, внутренним диаметром 15-17 мм и наружным диаметром 21-23 мм устанавливают на платформу 4 через слюдяную прокладку 5. Йа верхнем торце образца 6 размеща- Щт подвижные пластины 7 конденсатора Платформу 4 с образцом 6 и пластина- Ни 3 надевают на стержень 2 таким Образом, чтобы подвижные пластины 7 были размещены между неподвижными г ластинами 3 конденсатора, а между в1кутренней поверхностью образца 6 ri датчиком 8 температуры был зазор порядка 1-1,5 мм, и закрепляют платформу 4 на стержне 2.

: Измерительный узел с образцом 6 и: датчиками 1 и 8 подвешивают к плечу 13 коромысла весов. Датчики и 8 срединены с- измерительной аппарату- рЬй мало инерционным и подвесами (мед- HijiiMH отожженными проволоками диамет- рфм 0,05 мм).

Включают нагреватель 9. Темпера- Tjjfpa в камере 12 повышается, благо д4ря чему происходит нагрев образца 6,1 в процессе которого из него испа- злага и происходит влаготерми деформирование образца 6. Ре- п стрирующий прибор П записьгоает щ диаграммной ленте кривые кинети- Kijt сушки образца; текущие значения температуры образца 6, его влагосо- дйржания и линейной деформации в осе BdM направлении.

В процессе сушки угол поворота коромысла весов, вызванный убьшью влаги, преобразуется в фотоэлектри- че1ский сигнал фоторезистором 19. Равновесное положение коромысла весов поддерживается автоматически ре- гуйятором 20, входных звеном которого является фоторезистор 19. При этом уменьшение массы образца 6 линейно связано с уменьшением тока электромагнита 15 и следовательно, с уменьшением напряжения на резисторе 23. Это напряжение через масштабирующий преобразователь 24 подается на один из входов регистрирующего

5

0

5

0

5

0

5

0

5

прибора 11. Масштабирующим преобра- i зователем 24 задают чувствительность измерения массы и периодически переводят печатающую каретку регистрирующего прибора II в начало шкалы.

Определение коэффициентов теплового расширения of и усадки /3 образца 6 на основании полученных кривых осуществляют как описано выше.

Таким образом, осуществление сушки образца с нагревом, регистрация в процессе сушки текущих значений деформации, влагосодержания и температуры образца, последовательное фиксирование при двух близких .значениях температуры образца, его влажности и деформации и определение из уравнений, описьшающих зависимость деформации образца от его влагосодержания и температуры,.коэффициентов теплового .расширения и. усадки при различных температурах расширяет функциональные возможности способа вследствие обеспечения возможности определения значений обоих указанных коэффициентов.

Это позволяет построить зависимости коэффициентов от температуры и влагое.одержання материала и на основании их разработать опт-имальные режимы сушки различных материалов с различной исходной влажностью. Выбор оптимальных режимов сушки позволяет исключить, образование и распространение трещин в материале в процессе сушки, т.е. разрушение материала. HanpiiMep, при сушке кварцитогли- нистой массы.наибольшая опасность,образования трещин возникает, в начальной стадии прогрева и в конце сушки, когда коэффициенты теплового расширения и усадки достигают больших значений. Поскольку тепловое расширение. и усадка действуют s противоположных направлениях, то в материале возникают внутренние напряжения, составляющие величину, равную 0,475 МПа при влагосодержании,8,5% и 0,707 МПа при влагосодержании 1,5%, что пре- вьппает предел прочности кварцитогли- ; кистой массы, равньй при указанных значениях влагосодержания соответственно 0,312 и 0,564 МПа, в результате чего материал растрескивается.

Пре,гу1агаемый способ позволяет определить зависимости коэффициентов теплового расширения и усадки от температуры и влагосодержания. Располагая этими данными, можно выбрать такой режим сушки, при котором внутренние напряжения будут ограничены величиной, не превышающей предела прочности материала, т.е. можно осуществить оптимизацию процесса сушки по параметрам прочности материала.

Формула изо б рет е-ни я

Способ определения влаготермичес- ких характеристик твердых пористых материалов в процессе сушки, заклк - чающийся в измерении текущих значений деформации и влагосодержания об- разца.исследуемого материала и определении по ним текущих значений коэффициента усадки, отл-ичаю- щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения возможности определения также и.коэффициента теплового расширения, образец в процессе сушки нагревают, одновременно с деформацией- и влагрсодержанием образ- :ца измеряют текущие значения его температуры, рассчитывают текущие значения коэффициента теплового расширения по двум уравнениям деформации для смежных временных моментов измерения

: Е; . )f,

, ,Vf j/i+ dT,vi + ,

где и )., - текущие значения деформации;

4 Т,- И4Т,Ч1 - изменения температуры; .1- изменения влагссодер жания образца; с( и cf {41 значение коэффициента линейного расширения;

/ii и /ь,-., - значение усадки образца в моменты изме рения. и i+1,

причем интервал между моментами измерения i и i+ выбирают из условия приближенного равенства « , cf;+i и |Ь /Ь i+1

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

3.2 Г Л7

2O 30 tfO

50 SO 70 us.Z

/: 3

во Sff ;r «c

uf3

67багуо