Диссертация (1025572), страница 16
Текст из файла (страница 16)
При наличии градиента температур в растворахвозникаетдиффузионныйпоток(эффектСоре)[73].Врезультатетермодиффузии происходит перераспределение диффузанта, что приводит квозникновению молекулярной диффузии. Учитывая периодичность и частоту112производимых заливок, данная составляющая вносит самый заметный вклад вперераспределение модификаторов.Обычно при расчетах теплопроводность и диффузия рассматриваютсяотдельно. Однако в рамках решаемой задачи процессы переноса тепла и массывзаимосвязаны и идут одновременно. Получить их обобщение возможно тольков рамках термодинамики необратимых процессов. Связь процессов позволяетустановить теорема Онзагера (теорема взаимности) [73-75]. Скорость каждогоиз процессов принимается пропорциональной соответствующей движущейсиле: для переноса массы – градиенту концентрации, для тепла – градиентутемпературы. В рамках принятых допущений для одномерной задачиполучается следующая система дифференциальных уравнений:С==∙∙(5.3)++,(5.4)где С – концентрация диффундирующего вещества, мг/л;a – коэффициент температуропроводности, м2/с;Dm – коэффициент молекулярной диффузии, м2/с;Dt – коэффициент термической диффузии, м2/с;kT=Dt/Dm;Q – удельная теплота изотермического переноса, Дж;сp – теплоемкость, Дж/(кг∙К).В рассматриваемом случае помимо решения приведенной системыдифференциальных уравнений необходимо учитывать механическое удалениемодификаторов с поверхности ледового массива в процессе его подрезки.
Приэтом осуществляется подрезка верхнего слоя массива на различную глубину(от 0,3 до 0,5 мм) с последующим проведением заливки (либо чистой водой,либо с модификаторами). Скорость потери вводимых компонентов с113поверхности Cп пропорциональна поверхностной концентрации Cs в первойстепени и частоте заливок с механической подрезкой:–dCп/dt ~ Cs(5.5)Частота проведения операции подрезки зависит, в свою очередь, отзагруженности ледового массива, количества штатных обработок льда, глубинакоторых определяется визуальной оценкой повреждения льда.Врезультатепериодическихзаливокпроисходитизменениераспределения температуры в поверхностном слое, что влияет на среднюютолщину межкристаллического пространства,такиммодификаторовпорпроисходитпосистемеобразом,смиграцияизменяющимисягеометрическими характеристиками.
Подобные процессы в капиллярнопористых телах сложны в изучении, что обусловлено целым рядом причин [75].Скорость диффузии в подобных системах определяется: размером пор ихарактеромсоединенияихмеждусобой,энергетическимсостояниемповерхности стенок пор, величиной физико-химического сродства молекулдиффузанта и «скелета» твердого тела, степенью заполнения пор извлекаемымвеществом. Таким образом, проблематично предсказать как диффузант,представляющий собой систему из различных химических соединений, будетперемещаться в жидкостной прослойке межкристаллического пространства.Как и любое физическое явление, процесс переноса модификаторов вмежкристаллическомпространствемассивальдавключаетмножествовзаимодействий, отличающихся степенью значимости (вкладом в общеефизическое явление) и направленностью действия различных факторов,которые могут быть противоположными в различные периоды эксплуатации.При составлении математического описания учет всех параметров не позволитаналитическое решение или существенно его усложнит.
Для решенияисследователемреальнойпрактическойзадачиподобныйучетвсехвзаимосвязей является невозможным и снижает ценность полученногорезультата. Поэтому в настоящем исследовании не создавалась математическаямодель процесса переноса, а изучались основные движущие силы, проводилось114прецизионное моделирование исследуемых процессов и экспериментальнаяпроверка ожидаемых результатов.5.1.2. Визуализация процесса переносаДля визуализации использовался метод аналогии: вместо переносамодификаторов рассматривалась модельная система с подобными процессами.Моделирование осуществлялось на примере миграции в ледовом телеиспользованных ранее органических красителей (Coomassie Brilliant Blue,Эритрозин). Согласно экспериментальным данным, вводимые красителирасполагаютсявмежкристаллическомпространствепотолщинельдааналогично вводимым модификаторам.
Также декорирующее вещество поддействием температурного градиента движется по транспортной сети каналов внаправлении градиента температуры. Иными словами, рассматриваемыемодельное и натурное явления одной физической природы. Корректностьраспространения результатов эксперимента на натурное явление такжеподтверждает близость основных свойств красителей и модификаторов врассматриваемом интервале температур:– вводимые красители относятся к органическим соединениям;– молекулярная масса декорирующих веществ составляет порядка тысячиа.е.м,чтосоответствуетмолекулярноймассевводимыхвледкремнийорганических масел и эмульсий.ОсновныехарактеристикивводимыхсоединенийпредставленывТаблице 12.Таблица 12.Основные характеристики красителейПараметрМолекулярный вес, а.е.мФормулаСодержание красителя, %Coomassie Brilliant BlueЭритрозин Б854,03879,92С47H48N3NaO7S2С20H6I4Na4O591,491,0115Проведен эксперимент, позволивший визуализировать предложеннуюсотово-капиллярную модель переноса модификаторов в массиве льда врезультате периодических подрезок и заливок горячей водой (Рисунок 5.2).а)б)в)Рисунок 5.2.
Визуализация процесса переносаДекорирующиесоединениявводилисьвобразецльдаввидезамороженного концентрированного раствора красителя в форме капли.Раствор красителя предварительно замораживался в холодильной камере притемпературе минус 20 ºС. Капля цветного индикатора помещалась между двумяобразцами льда, которые впоследствии смораживались в единое целое. Каплицветного индикатора расположены на расстоянии 20 мм от поверхностиобразца. При отсутствии каких-либо возмущающих воздействий диффузии в116ледовом теле практически не происходит в течение длительного времени, т.е.не меняются ни форма ни расположение капли красителя. Однако, еслиповерхность образца льда периодически отеплять (проводить заливки горячейводой), то под действием термодиффузии краситель мигрирует в направлениидействия градиента температуры по сети межкристаллического пространства.Температураводыдляобновлениясоставлялаплюс90 ºС,толщиназаливаемого слоя от 0,5 до 0,7 мм.
Частота обновлений 1 раз/час, по 7обновлений в день. Температура воды заведомо принималась выше, чемрекомендуемая по технологии, что позволило интенсифицировать процессдиффузии под действием градиента температуры. Можно видеть, что приобновлениипроисходитпостепенноенаблюдаетсяпоперечнаядиффузияразмываниедекорирующихкапликрасителя,частицпосетимежкристаллического пространства. Краситель под действием термодиффузиимигрирует к поверхности по сети межкристаллического пространства, о чемсвидетельствует выделенная цветом сетчатая структура (отчетливо видна навиде сверху). После проведенных обновлений краситель поднялся доповерхности массива.Моделирование в подобной системе позволяет в лабораторных условияхпроводить оценочные расчеты перераспределения модификаторов в массивельда в процессе эксплуатации [76]. Наглядность и простота метода позволяютотработать методику проведения экспериментов в сочетании с более точным идорогостоящим методом – методом снятия слоев.Далее проведена серия экспериментов по аналогичной методике, гдеперераспределениечастицкрасителяфиксировалосьфотосъемкойвертикального среза льда в увеличенном масштабе с помощью цифровогомикроскопа.
Определялось количество обновлений к моменту подъемакрасителя к поверхности ледового массива при различной начальной глубиневмораживания капли красителя Coomassie Brilliant Blue, а также приобновленииводойразличнойтемпературы.Заливкипроводилисьприпостоянной температуре хладоносителя и с частотой 1 раз/час. Пример117измененияраспределениякрасителявнутринамороженногообразцамодифицированного льда представлен на Рисунке 5.3.Рисунок 5.3. Изменение распределения красителяЭксперименты показали, что при увеличении температуры воды tвкраситель с определенной глубины до поверхности (расстояние δ) поднимаетсяза меньшее количество обновлений N вследствие увеличения градиентаРасстояние, δ ммтемпературы и толщины подплавляемого слоя (Рисунок 5.4).Рисунок 5.4. Перемещение красителя: tв=var, tхн=idemТакимобразом,экспериментальноподтвержденавозможностьвоздействия на интенсивность подъема модификаторов к поверхности, чтоимеет большое практическое значение для определения времени сохраненияледовым покрытием своих свойств без дополнительно внесения модификаторовв процессе эксплуатации ледовой арены.
Температура воды tв при обновленииповерхности льда – второй инструмент воздействия на интенсивность миграциимодификаторов помимо изменения температуры подачи хладоносителя вледовое поле. Анализ показал, что изменение температуры воды приобновлении поверхности льда в большей степени определяет интенсивностьподъема соединений к поверхности. При одинаковой начальной глубине118залеганиякрасителяприувеличениитемпературызаливаемойводыот плюс 60 до плюс 90 ºС количество обновлений уменьшается в 2 раза.Вработетакжеэкспериментальноподтвержденавозможностьпроникновения модификаторов с поверхности массива вглубь в направленииобратном градиенту температуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
