Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор по теплофизическим свойствам хлопка-сырца и его компонентов 10
1.1. Строение хлопка-сырца и формы связи влаги в компонентах летучки 10
1.2. Гигроскопические свойства хлопка-сырца 11
1.3. Теплофизические свойства хлопка-сырца и волокнистых материалов 14
2. Экспериментальные установки для измерения теплофизических характеристик хлопка-сырцад! его компонентов 26
2.1.Экспериментальная установка для исследования теплопроводности хлопка-сырца и его компонентов 26
2.2. Экспериментальная установка для исследования теплоемкости хлопка-сырца и его компонентов 30
2.3. Экспериментальная установка для измерения температуропроводности хлопка-сырца и его компонентов методом регулярного теплового режима 33
2.3.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 35
2.3.2. Проведение и обработка результатов опыта 37
2.4. Определение линейной плотности хлопкового волокна 39
2.5. Определение разрывной нагрузки хлопкового волокна 41
2.6. Оценка погрешности измерения теплофизических свойств веществ 44
3. Теплофизические свойства хлопка-сырца разновидности 9326-в и его компонентов 51
3.1. Краткая характеристика хлопка-сырца и его компонентов 51
3.2. Теплофизические свойства хлопка-сырца и его компонентов 52
3.2.1.Эффективная изобарная теплоемкость хлопка-сырца и его компонентов 52
3.2.2. Эффективная теплопроводность хлопка-сырца и его компонентов 58
3.2.3. Эффективная температуропроводность хлопка-сырца и его компонентов 61
3.3. Линейная плотность хлопкового волокна 64
3.4. Разрывная нагрузка хлопкового волокна 66
4. Обсуждение результатов эксперимента 69
4.1. О применимости теоретической связи между теплофизическими параметрами хлопка-сырца и его составляющих 69
4.2. Применение теории подобия к обсуждению и обобщению результатов измерения теплофизических параметров 76
4.3. Полуэмпирические связи между теплофизическими параметрами хлопка-сырца и его компонентов 91
4.4. Рекомендации для практического использования результатов исследования свойств хлопка-сырца и его компонентов 95
Выводы 97
- Гигроскопические свойства хлопка-сырца
- Экспериментальная установка для измерения температуропроводности хлопка-сырца и его компонентов методом регулярного теплового режима
- Эффективная температуропроводность хлопка-сырца и его компонентов
- Полуэмпирические связи между теплофизическими параметрами хлопка-сырца и его компонентов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Хлопок имеет исключительно важное значение для народного хозяйства. Нет ни одной отрасли народного хозяйства, где бы не применяли хлопок или продукты его переработки. С момента сбора и до момента получения конечного продукта хлопок-сырец подвергается многочисленным операциям, целью которых является сохранность природных свойств хлопка-сырца, что выражается в сохранении волокном качеств, ценных для текстильной промышленности, и семенами свойств посевного материала и сырья для маслобойной промышленности.
Хлопок-сырец ручного сбора содержит 9-13% влаги, собранный хлопкоуборочными машинами имеет влажность 10-18%, а куракосборочными машинами 18-27%. При длительном хранении влажного хлопка-сырца ухудшаются структурно-механические и биологические свойства волокна и семян вследствие самосогревания, создающего благоприятные условия для развития микроорганизмов, жизнедеятельность которых и приводит к ухудшению природных свойств хлопка.
При переработке хлопка-сырца с повышенной влажностью ухудшается качество волокна.
Для каждого сорта хлопка-сырца, исходя из условий длительного его хранения, определена кондиционная влажность. Хлопок-сырец повышенной влажности обязательно сушат и доводят до кондиционной влажности.
В настоящее время сушка хлопка-сырца осуществляется в основном конвективным способом, позволяющим высушивать равномерно каждую отдельную летучку. Процесс сушки хлопка-сырца этим способом требует знания удельной изобарной теплоемкости, коэффициентов теплопроводности и температуропроводности хлопка-сырца и его компонентов. Эти параметры при расчете процесса сушки на различных его этапах берутся постоянными. Для того, чтобы найти средние значения теплофизических параметров на этих этапах надо знать их температурную зависимость в интервале температур, при которых производится сушка.
Важной с точки зрения практического "использования хлопка-сырца и его компонентов является получение эмпирических или полуэмпирических соотношений, связывающих между собой теплофизические параметры хлопка-сырца различных сортов и его компонентов. Это позволит по известным значениям любого теплофизического параметра одного компонента любого сорта хлопка-сырца рассчитать значения других теплофизических параметров других компонентов хлопка всех сортов.
Линейные физические и механические (прочностные) свойства хлопкового волокна зависят от своевременной и качественной сушки хлопка-сырца, а качество сушки во многом определяется теплофизическими свойствами компонентов хлопка. Основными параметрами, определяющими линейные физические и прочностные свойства волокна, являются его длина, линейная плотность, разрывная нагрузка и разрывная длина. Знание этих параметров позволяет правильно выбирать технологические заправки в прядении и тем самим получать высококачественную пряжу.
Из вышеизложенного следует, что изучение теплофизических и линейных физических и прочностных свойств неисследованных новых селекционных сортов или малоисследованных сортов хлопка-сырца является бесспорно актуальной задачей.
Работа выполнена по плану координации научно-исследовательских работ в области естественных и общественных наук АН Республики Таджикистан на 1998-2003 годы по теме «Теплофизические свойства веществ» по проблеме 1.9.7-теплофизика.
Цель работы заключается в экспериментальном исследовании теплофизических свойств (теплоемкости, теплопроводности и температуропрово-ности) хлопка-сырца разновидности 9326-В и его компонентов в интервале температур 298-423Кн обобщении результатов на основе теории подобия.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Измерить значения теплофизических параметров (коэффициента теплопроводности, удельной изобарной теплоемкости и коэффициента температуропроводности) хлопка-сырца 1-го, П-го и Ш-го сортов ручного сбора и его компонентов (волокна, семян, кожуры семян и ядра семян) в интервале температур Т-298-423К.
Обработать и обобщить результаты эксперимента на основе теории подобия.
Определить дополнительно линейную плотность, номер волокна, среднюю и действительную разрывную нагрузку хлопкового волокна хлопка-сырца 1-го, П-го и Ш-го сортов для 2-го типа волокна.
Принять участие в создании автоматизированного теплофизического комплекса для измерения изобарной теплоемкости и коэффициента теплопроводности методом монотонного разогрева, включающий системы автоматического сбора и обработки информации, а также автоматического управления экспериментом.
Выдать рекомендации для внедрения результатов измерения теплофизических параметров компонентов хлопка-сырца, а также линейной плотности, номера и действительной разрывной нагрузки хлопкового волокна различных сортов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Впервые получены экспериментальные данные по эффективным теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности хлопка-сырца разновидности 9326-В и его компонентов в интервале температур 298-423 К.
Показана возможность использования эффективных теплофизических параметров при сушке хлопка-сырца конвективным способом. Указан возможный способ определения истинных значений теплофизических параметров.
Путем обработки экспериментальных результатов на основе теории подобия получены аппроксимационные зависимости, описывающие темпера- турное поведение эффективных удельной изобарной теплоемкости, коэффициентов теплопроводности и температуропроводности одновременно для всех трех сортов хлопка-сырца и его компонентов.
Получены полуэмпирические формулы, позволяющие по известному значению одного из эффективных теплофизических параметров (Cpt X или а) для данного компонента данного сорта хлопка-сырца рассчитать все теп-лофизические параметры для данного компонента всех сортов хлопка.
Получены новые уточненные значения линейной плотности, номера, разрывной нагрузки хлопкового волокна 2-го типа хлопка-сырца 1-го, П-го и Ш-сортов разновидности 9326-В.
Автор защищает:
Экспериментальные данные по эффективной удельной теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности тонковолокнистого хлопка-сырца разновидности 9326-В и его компонентов в зависимости от температуры.
Аппроксимационные зависимости для расчета удельной теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности тонковолокнистого хлопка-сырца и его компонентов, полученные на основе теории подобия.
Установление с использованием методов теории подобия полуэмпирических связей между эффективными теплофизическими параметрами хлопка-сырца и его компонентов.
Участии в создании автоматизированного комплекса для измерения изобарной теплоемкости и коэффициента теплопроводности различных по своей природе материалов, проведение контрольных измерений и установление пригодности автоматизированного комплекса для высокоточных скоростных измерений.
Уточнение экспериментальные значения линейной плотности, номера, разрывной нагрузки и разрывной длины хлопкового волокна 2-го типа хлопка-сырца 1-го, 11-го и Ш-го сортов.
Рекомендации по практическому использованию результатов работы.
Практическая значимость работы:
Результаты проведенных исследований теплофизических свойств тонковолокнистого хлопка-сырца разновидности 9326-В используются в Акционерном обществе открытого типа «Умед-1» (Курган-Тюбинский хлопза-вод) при расчете технологического процесса сушки, а также определении сорта хлопка-сырца (имеется акт внедрения).
Уточненные экспериментальные значения линейной плотности, номера, средней и действительной разрывной нагрузки хлопкового волокна 2-го типа хлопка-сырца 1-го, П-го и Ш-го сортов используются как стандартные справочные данные (имеется акт Таджикстандарта).
Созданный с участием диссертанта автоматизированный теплофизический комплекс для измерения удельной изобарной теплоемкости и коэффициента теплопроводности готова к эксплуатации и может быть использована для скоростного определения теплофизических свойств материалов различной природы, для установления сорта хлопка-сырца и при проведении научных работ,
Собранная установка для измерения коэффициента температуропроводности различных материалов используется в научной и учебной лаборатори кафедры теплотехники и теплотехнического оборудования Таджикского технического университета им. академика М.С. Осими преподавателями и аспирантами для выполнения НИР и студентами при выполнении дипломных и курсовых работ.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на: Международной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Сингапур, 1999); Международной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Массачусетс, 2001); Международной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Кембридж, 2001); Международной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Чикаго, 2002); 4-ой Международной теплофизической школе (Тамбов, 2001); Международной конференции «Физика конденсированного состояния» (Душанбе, 2001); Межвузов- ской научно-практической конференции «Достижения в области металлургии и машиностроения Республики Таджикистан» (Душанбе, 2004); Международной научно-практической конференции «16-сессия Шурой Оли Республи- ки Таджикистан (12 созыва) и ее историческая значимость в развитии науки и образования» (Душанбе, 2002); Международной научно-практической конференция «Перспективы развития науки и образования в 21 веке» (Душанбе, 2004); Международной конференции по физике конденсированного состояния и экологических систем, посвященной 15-ой годовщине государственной независимости Республики Таджикистан (Душанбе, 2006).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 научных работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из ПО наименований, приложения и документов подтверждающих использование результатов работы.
Диссертация изложена на 116 страницах, включая 40 рисунков и 15 таблиц.
Гигроскопические свойства хлопка-сырца
Средняя влажность заготавливаемого хлопка-сырца зависит от метеорологических условий в период уборки и может колебаться в пределах от 8 до 40%. Даже в сухие периоды уборки хлопок-сырец машинного сбора имеет повышенную влажность. Качество волокна и семян, стойкость при хранении и переработке хлопка-сырца зависят как от его средней влажности, так и от влажности отдельных летучек и даже их компонентов. В этом аспекте большое значение имеют гигроскопическое свойства хлопка-сырца. В определенных условиях между хлопком-сырцом и влажным воздухом наступает динамическое равновесие влагообмена. Влажность хлопка-сырца и окружающего его воздуха, соответствующая такому состоянию, называется равновесной. Состояние равновесия наступает при равенстве парциального давления водяных паров над поверхностью материала и в воздухе. Это состояние наступает при определенных значениях влажности хлопка-сырца, воздуха и их температуры. Хлопок-сырец характеризуется различными свойствами и структурным строением компонентов, что обусловливает различие их гидроскопических свойств и влагосодержания. По данным Арифа и Аюханова [4], при влажности хлопка-сырца 8,5% влажность его компонентов была следующей: ядра-6,7%, кожуры-11,6%,, волокна-7,7%. На основании длительных экспериментов по увлажнению и сушке хлопка-сырца и хлопковых семян установлено, что сорбционная способность у кожуры выше, чем у ядра в широком диапазоне влажности {7-30%). Аналогичные данные приведение в работе Марченко Н.И [5], Королева В.К[6], Кулагина А.И.[7]. Согласно исследованием ЦНИИХпрома [8-11] и некоторых авторов [6,7], можно сделать вывод, что волокно обладает наибольшей скоростью сорбции при стабильных значениях температуры. Изменение температуры и влагосодержания воздуха существенно влияют на равновесную влажность волокна. Например, повышение температуры при постоянном влагосодер-жании воздуха приводит к снижению равновесной влажности волокна, а при понижении температуры, наоборот, влажность волокна повышается. Одновременное же повышение температуры и влагосодержания воздуха ведет к повышению равновесной влажности волокна. Сорбция влаги волокном сопровождается выделением тепла [5], определяющегося теплотой смачивания и теплотой сорбции, интегральная величина которой составляет 47 кДж/кг при влажности w=0. Влагосодержание у кожуры хлопкового семени больше, чем у ядра независимо от изменений температуры и относительной влажности воздуха. Однако если последняя превышает 90%, то влага, воспринимаемая ядром, становится превалирующей в общем влагосодержании хлопка-сырца.
Пониженная способность ядра сорбировать влагу объясняется гидрофобностью за счет содержащегося в нем масла. По данным работы [5], кривые сорбции обезмасленых семян и кожуры при относительной влажности воздуха до 70% близки, а при относительной влажности выше 70% ядро поглощает влаги больше, чем кожура. Относительно механизма сорбирования влаги кожурой имеются различные мнения. Некоторые исследователи [6,7] считают, что поверхность кожуры не пропускает влагу. Внутрь семени влага попадает через халазу в месте рубчика и через капилляры волокна. Однако опытами установлено [8-11], что при увлажнении семян вся поверхность кожуры пропускает влагу одинаково. Интенсивность поступления влаги в семена зависит также от степени оголения семян и целостности воскоподобного покрытия. Таким образом, сорбционные свойства компонентов хлопка-сырца характеризуют его как материал, обладающий большой гигроскопичностью, которая в значительной степени связана с неравномерным обезвоживанием волокна и семян в процессе сушки. Это обстоятельство вызывает затруднения при организации сушки хлопка-сырца, так как влажность его очень не равномерна в массе поступающего в сушилку материала, что снижает эффективность проведения сушки. Дело в том, что сушка хлопка проводится в основном во влажный период года и при транспортировании материала от сушилки к месту хранения неравномерное обезвоживание его компонентов приводит к сорбированию влаги волокном из окружающей среды. Поэтому к процессу сушки предъявляются требования пропорционального обезвоживания компонентов хлопка-сырца (равномерной сушки), которое в общем случае характеризуется его равновесной влажностью. В первом приближении равновесная влажность хлопка-сырца достаточно точно определяется по формуле, предложенной академиком А.В.Лыковым [12]: где wp - равновесная влажность хлопка-сырца, % ; р - относительная влажность среды, %. Характер изменения равновесной влажности хлопка-сырца представляет собой определенный интерес при организации процесса сушки. Зная аналитическую зависимость изотерм десорбции и их геометрическую интерпре- тацию (равновесные кривые) [2,3], можно заранее определить необходимый режим сушки и правильно судить о его жесткости. Исходя из того, что изменение равновесной влажности хлопка-сырца пропорционально его начальной влажности wo, а также трансформации относительной влажности окружающей среды (р и ее температуры, можно составить следующее аналитическое уравнение: где а- некоторая постоянная величина, зависящая от физико-химических свойств хлопка и его сорта.
Однако для практических расчетов сушки в интервале относительной влажности сушильного агента р от 0,1 до 0,9 равновесную влажность хлопка-сырца вполне удовлетворительно можно вычислить по эмпирической формуле: где Т- температура нагрева хлопка-сырца по абсолютной шкале. Отсюда вытекает, что изменение равновесной влажности хлопка-сырца зависит не только от относительной влажности сушильного агента. Оно связано также с его тепловыми характеристиками, обусловливающими нагрев материала в процессе сушки. 1.3. Теплофизические свойства хлопка-сырца и волокнистых материалов Хлопок-сырец относится к материалам, обладающим низкой тепло- и влагопроводностью.. Качества такого материала под воздействием высокой температуры быстро ухудшаются в результате возникновения напряжений между его внутренними и наружными частями, а также окислительных процессов в целлюлозе. При этом основную роль играет неравномерность скорости нагрева и обезвоживания компонентов хлопка-сырца из-за различия их термических и влагообменных характеристик. Теплоемкость хлопка-сырца Сср, отнесенную к 1кг массы абсолютно сухого материала (приведенную теплоемкость), можно определить по формуле [3]. где Сс=1,6-1,7- удельная теплоемкость абсолютно сухого хлопка-сырца, кДж/(кг К)\ w влажность хлопка-сырца, %; Св=4,19- удельная теплоемкость воды, кДж/(кг К). Теплоемкость 1кг влажного хлопка-сырца находится по формуле Между теплоемкостью хлопка-сырца и его влажностью имеется почти линейная зависимость. Теплопроводность - способность компонентов хлопка-сырца проводить тепловую энергию - обусловлена его температурой, плотностью и влажностью. Этот показатель характеризируется коэффициентом теплопроводности Л. Для хлопка-сырца при w =0, коэффициент Л=0,33 Вт/(м К). Температуропроводность - инерционность температурного поля в компонентах хлопка-сырца характеризуется коэффициентом температуро-проводности а, равным 0,4Г10 м /ч. Коэффициенты теплопроводности и температуропроводности находятся между собой в следующей зависимости: где Сд р удельная изобарная теплоемкость и плотность хлопка-сырца. Определением значений этих коэффициентов занимались многие исследователи. Методика проведения эксперимента сводилась к определению скорости изменения температуры различных точек образцов исследуемого материала при заданных координатах в условиях регулярного режима.
Экспериментальная установка для измерения температуропроводности хлопка-сырца и его компонентов методом регулярного теплового режима
Охлаждение однородного, изотропного и равномерно нагретого тела в среде с постоянной температурой проходит две стадии. В первой стадии охлаждения распределение температуры в теле в основном определяется его начальным состоянием. Эту стадию охлаждения принято называть неупорядоченным режимом. Во второй стадии охлаждения распределение температуры не зависит от начального теплового состояния тела и определяется физическими свойствами, геометрической формой и размерами исследуемого тела, а также условиями теплообмена его с окружающей средой. Вторая стадия охлаждения (или нагревания) тела, называемая регулярным тепловым режимом, наступает по истечении некоторого промежутка времени, определяемого значением критерия Фурье где х- время, а- коэффициент температуропроводности, - линейный размер тела. В этой стадии охлаждения изменение температуры тела во времени при постоянной температуре среды подчиняется закону показательной функции где в- избыточная температура тела (отсчитанная от температуры среды); А- постоянный множитель; U- функция координат. Таким образом, регулярным тепловым режимом (1-го рода) называется частный случай нестационарного процесса теплопроводности, в котором тепловое состояние тела характеризуется экспотенциональным законом изменения температуры во времени. Величина т в уравнении (2.3.1) называется темпом охлаждения. Он характеризует относительную скорость изменения температуры в единицу времени. и для всех точек тела остается постоянной. Уравнение (2.3.2) получается после дифференцирования уравнения (2.3.1) во времени. Теория регулярного режима установливает связь между темпом охлаж-дения тела, его физическими и геометрическими свойствами, а также внешними условиями охлаждения; эта связь математически в общем случае выражается следующей функцией: где А,Ср,р- физические параметры тела: теплопроводность, теплоемкость, плотность; j" „- линейные размеры тела; К- коэффициент, характеризующий геометрическую форму тела; а - коэффициент теплоотдачи. Если коэффициент теплоотдачи а равен бесконечности, то величина т прямо пропорциональна коэффициенту температуропроводности а охлаждающегося тела и уравнение (2.3.3) принимает конкретный вид: где тх значение т при а -»оо. Уравнение (2.3.5) получено для условия, когда среда предполагается настолько теплоемкой, что тепло, полученное ею от тела, вызывает пренебрежимо малое повышение ее температуры, то есть процесс охлаждения тела протекает при температуре среды tx = const.
Основной величиной, которая определяется в опыте, является темп охлаждения т. Следовательно, если измерить т и К, то из уравнения (2.3.5) можно определить коэффициент температуропроводности. Измерение коэффициента температуропроводности проводится методом регулярного теплового режима на установке, в которой в качестве калориметра применяется цилиндрическая оболочка из красной меди с внутренним диаметром D=49,8 мм и высотой = 76,5мм (рис. 2.3.1.1), заполненная исследуемым материалом. В калориметр заложен исследуемый материал для контрольных измерений, в качестве которого принят песок. Для измерения избыточной температуры калориметров применяется дифференциальная термопара. Термопару можно выполнить из хромеля и алюмели или из меди и константана. Один спай термопары вводится непосредственно в калориметр с исследуемым материалом. Второй спай помещается в металлическую или стеклянную пробирку, которая заливается парафином, маслом или другими веществами, имеющими большую теплопроводность, чем воздух. . Электродвижущая сила дифференциальной термопары измеряется с помощью зеркального гальванометра. В цепь термопары и гальванометра последовательно включен декадный магазин сопротивления для регулирования чувствительности гальванометра. Сушильный шкаф служит для предварительного нагревания калориметра. Он снабжен электрическими нагревателями и ртутным термометром для измерения температуры. Мощность электрических нагревателей регулируется с помощью автотрансформатора. При определении коэффициента температуропроводности опыт с охлаждением калориметра проводится в водяном термостате. Термостат устроен таким образом, что в нем практически выполняются условия а-»оо и tx = const, обеспечивающие возможность использования расчетного уравнения (2.3.5). Общая схема опытной установки дана на рис. 2.3.1.2. Она рассчитана на проведение опытов при температурных режимах, близких к температуре помещения. В противном случае термостаты необходимо снабжать нагревателями. До начала опыта включаются в цепь нагреватели сушильного шкафа. Мощность нагревателей должна быть отрегулирована так, чтобы температура в шкафу была на ,10+1 5С выше температуры в термостате. Одновременно с этим в шкаф помещается калориметр для нагревания и через каждые 15 минут производится запись показаний термометра до наступления установившегося теплового состояния в шкафу при полном прогреве исследуемого материала. Равномерность прогрева проверяется по показанию дифференциальной термопары калориметра; если ее свободный спай поместить в шкаф, то при равномерном прогреве материала «зайчик» гальванометра будет находиться вблизи его нулевого положения. После этого можно приступить к опыту по определению температуропроводности. Перед началом опыта по показаниям ртутных термометров записывается начальная разность между температурами калориметра и водяного термостата. Затем эта же разность устанавливается на шкале зеркального гальванометра.
Для этого свободный спай термопары из сушильного шкафа переносится в термостат. Если при этом «зайчик» гальванометра выходят за пределы шкалы, то в цепь гальванометра вводится такое дополнительное сопротивление, чтобы «зайчик» на шкале гальванометра установился в крайнем левом или крайнем правом положении. После этого калориметр переносится из сушильного шкафа в жидкостный термостат, где он и охлаждается. В процессе охлаждения калориметра через малые промежутки времени производится запись показаний гальванометра. Запись показаний термометра, установленного в термостате, производится через 5-Ю минут. Отчет времени в период основного опыта производится с помощью секундомера. Коэффициент температуропроводности исследуемого материала вычисляется по уравнению (2.3.5). Значение /«„определяется из опыта по охлаждению калориметра. Для этого используется практический способ вычисления значения темпа охлаждения. Он состоит в том, что по найденным значениям избыточной температуры калориметра для различных моментов времени строится график Ыв-fyr). Хлопковое волокно является одним из самых тонких текстильных волокон. Чем длиннее волокно, тем оно тоньше. Косвенной характеристикой толщины волокна является его линейная плотность. Пряжа, вырабатываемая из зрелого тонкого волокна, является тонкой и прочной, так как в поперечном се-чении пряжи тонких волокон укладывается больше, чем толстых. В системе текс линейная плотность волокна Т определяется как масса волокна т, приходящегося на единицу длины L: где масса т измеряется в миллиграммах (мг), а длина L в метрах (м), если масса измеряется в граммах (г), то длина измеряется в километрах (км). Номер волокна Nm характеризует тонину волокна и находится по формуле Чем тоньше волокно, тем выше его номер. Существует несколько методов определения линейной плотности и номера волокон [67,68]: метод промера отдельных волокон; метод вырезки из пучка волокон; а также использование прибора МШУ-1 для механической укладки волокна в штапель, механического раскладчика волокон МРВ-1 и проекционного счетчика волокон ПСВ-1. Метод промера отдельных волокон очень трудоёмок, поэтому используется только для определения линейной плотности коротких волокон. Мы определяли линейную плотность методом вырезки из пучка волокон. Предварительно на вытяжном ленточном приборе приготовляли пробную ленточку из пробы массой 4-5г. От пробной ленточки вдоль нее отделяли часть волокна массой около 200мг. Затем волокна пропускали несколько раз через вытяжной прибор, максимально параллелизуя их.
Эффективная температуропроводность хлопка-сырца и его компонентов
Коэффициент температуропроводности является очень важным тепло-физическим параметром, характеризующим интенсивность; нестационарной теплопроводности. В отличии от стационарной теплопроводности нестационарная теплопроводность приводит к выравниванию температуры тела, в котором в начальный момент существовали неоднородные температурные поля. Результаты измерения эффективного коэффициента температуропроводности хлопка-сырца и его компонентов приведены на рис. 3.2.3.1-3.2.3.5 и табл. П.4-П.6. Закономерности изменения коэффициента температуропроводности хлопка-сырца и его составляющих в зависимости от сорта и от температуры качественно такие же, как и для удельной теплоемкости и коэффициента теплопровод-ности. Разница в значениях коэффициента температуропроводности для смежных сортов составляет 6-11%, т.е. заметно больше погрешности измерений. Модальная массодлина Lm- это длина" одинаковых волокон, составляющих группу с наибольшей массой. Штапельная длина Ьш- это средняя массодлина хлопковых волокон из всех групп, длина которых больше модальной массодлины. По ГОСТ O Dst 604-2001 хлопковое волокно подразделяется по следующие типы: Iа, I6, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Тип хлопкового волокна 1-го и 11-го сорта устанавливается в зависимости от штапельной массодлины и относительной разрывной нагрузки волокна, Ш-го сорта - в зависимости от штапельной длины. В образцах 1-го, П-го и Ш-го сортов хлопка-сырца разновидности 9326-В, исследованных нами, содержится хлопковое волокно 2-го типа. По методике, описанной в п.2.4 мы определили линейную плотность Г, номер волокна Nm и число волокон Н/ в 1мг. Линейную плотность Ти номер волокна Л вычисляли по формулам (2.4.1) и (2.4.2). Число волокон nj в \мг подсчитывали по формуле П}=п/(т т0, где тк - масса концов пучка, мг, «-число волокон в штапельке. Мы определяли разрывную нагрузку волокон хлопок-сырца 1-го, П-го и Ш-го сортов разновидности 9326-В методом разрыва шпателя, описанным в п.2.5. Более того, для каждого сорта мы рассчитывали разрывную нагрузку волокон 2-го типа. В качестве примера рассмотрим разрывную нагрузку волокна 2-го типа 1-го сорта и оценку погрешности измерений. Для каждого из десяти штапельков определяем разрывные нагрузки Q!t Qb — Qw, массы этих штапельков п и а число волокон в 1мг П] было установлено при определении номера волокна путем деления числа волокон вырезанной средней части пучка на массу пучка (штапелька). Значения необходимых для проведения расчета параметров Qh mh и п-пп-1щ ((-1,2,...,10) приведены в табл. 3.4 Л, там же приведены значения расчетных разрывных нагрузок на одно волокно Pt. Если отклонения от средней по отдельным штапелькам превышает ±0,ЗсН, то эти штапельки исключают. У нас же максимальные отклонения составляют -0,26 и +0,23, следовательно учитываем результаты для всех штапельков.
Среднюю разрывную нагрузку хлопкового волокна Рр с учетом неодновременности разрыва волокон в штапельке вычисляют с точностью до О.ІсН по формуле: где 7/ - постоянный коэффициент, учитывающий неодновременность разрыва волокон в штапельке (пучке). Для хлопкового волокна Т}=0,675, поэтому Аналогичным образом рассчитывалась разрывная нагрузка волокон для всех проб хлопка-сырца И-го и Ш-го сортов. Результаты расчетов сведены в табл. 3.4.2. Там же приведены значения относительной разрывной нагрузки Р0 и разрывной длины, найденные по формулам (2.5.1). Из табл. 3.4.2 видно, что наибольшей разрывной нагрузкой обладает волокно 2-го типа 1-го сорта. Затем следуют волокна 2-го типа П-го сорта и 2-го типа Ш-го сорта. Как указывать выше, удельная изобарная теплоемкость Ср, коэффициент теплопроводности Я и коэффициент температуропроводности а являются основными теплофизическими характеристиками тела. Они характеризуют совершенно различные тепловые процессы. Удельная изобарная теплоемкость, грубо говоря, равна количеству теплоты Q, поглощенной единицей массы вещества (1кг вещества в системе СИ), при его нагревании на один градус при постоянном давлении Р. Строгая формулировка выглядит так: удельная изобарная теплоемкость равна отношению количества теплоты dQ, поглощаемой единицей массы вещества при бесконечно малом изменении . Чем боль-р температуры dT при P=const, к этому изменению, т.е. Ср = — ше теплоты поглощает тело при изменении температуры на одну и ту же величину, тем больше теплоемкость этого тела. Коэффициент теплопроводности определяет интенсивность передачи тепла через заданную изотермическую поверхность за некоторый промежуток времени. Согласно закону Фурье, плотность потока этого тепла пропорциональна градиенту температуры: пературы по направлению наибыстрейшего увеличения температуры, п-единичный вектор в этом направлении. Коэффициент пропорциональности Я является коэффициентом теплопроводности тела, он характеризует способность вещества проводить тепло. Коэффициент температуропроводности а- параметр, характеризующий скорость изменения температуры тела при нестационарных тепловых про- цессах, Согласно дифференциальному уравнению теплопроводности, скорость изменения температуры Г в любой точке тела пропорциональна а: Ср - удельная изобарная теплоемкость, qv- количество теплоты, выделяемой в единицу времени в единице объема тела внутренними источниками (объемная плотность тепловыделения). При отсутствии внутренних источников qv=0.
При прочих равных условиях выравнивание температур во всех точках пространства будет происходить быстрее в том теле, которое имеет больший коэффициент температуропводности. Коэффициент температуропроводности численно равен отношению коэффициента теплопроводности вещества к произведению его удельной изобарной теплоемкости на плотность, т.е.: Это выражение автоматически вытекает при выводе дифференциального уравнения теплопроводности. Представляет большой интерес проверить выполнимость этого соотношения для компонентов хлопка-сырца. Предварительно проверим, выполняется ли соотношения (4.1.2) для других селекционных сортов хлопка (других разновидностей хлопка), исследованных другими авторами. В качестве примера рассмотрим выполнимость этого соотношения для компонентов хлопка-сырца 1-го сорта разновидности 108—Ф. В табл. 4.1.1 приведены теплофизические свойства компонентов хлопка-сырца этого селекционного сорта при нормальной температуре [3]. По экспериментальным значениям Ср, Лир, приведенным в таблице, рассчитан коэффициент температуропроводности арасч волокна, кожуры и ядра семян. Как видно из таблицы, хорошее совпадение экспериментального и рассчитанного значений а наблюдается только для хлопкового волокна. Одна- ко, мы считаем, что это совпадение или случайное, или было произведена очень сильная прессовка (трамбовка) волокон до произведения измерений. Для других компонентов хлопка-сырца имеется существенная разница между экспериментальными и рассчитанными по формуле (4.1.2) значениями а. Мы также рассчитали коэффициент температуропроводности по нашим данным, используя для плотности р значение из табл. 4.1.1, так как плотности компонентов хлопка-сырца различных селекционных сортов примерно одинаковы. И в нашем случае нет согласия между измеренными и рассчитанными значениями коэффициента температуропроводности. Это связано, по-видимому, с тем, что в измерительной ячейке в порах между компонентами хлопка-сырца при определении теплофизических параметров в большом количестве присутствует воздух. Эксперимент требует как можно более полного заполнения ячейки, чтобы избежать влияния воздуха на результат измерений. Поясним это обратившись к табл. 1.3.1 и 1.3.2. Из табл. 1.3.2 видно, что при температуре Т-300К и давлении Р=1,ЗЗПа=13,3 10 батм теплоемкость хлопковой ваты пористости 0,946равна 0,059Вт/(мК), тогда как теплопроводность волокна составляет 0,5Вт/(м К), а воздуха - 0,026Вт/(мК). Согласно табл. 1.3.1 теплопроводность хлопковой ваты пористости 0,940 при температуре 293К и атмосферном давлении воздуха равна 0,0б4Вт/(мК). Отсюда следует, что при больших значениях пористости эффективная теплопроводность материала (волокно с воздухом в порах) гораздо меньше теплопроводности волокна.
Полуэмпирические связи между теплофизическими параметрами хлопка-сырца и его компонентов
Установление связей между различными теплофизическими параметрами хлопка-сырца и его компонентов, несомненно, является важной задачей, решение которой может найти практическое применение в технологическом процессе сушки хлопка-сырца [108-ПО]. Механизм сушки хлопка-сырца аналогичен обезвоживанию капиллярно-пористых материалов и определяется особенностями структуры волокна, кожуры и ядра семян, формой связи поглощенной ими влаги и условиями теплообмена и влагообмена между материалом и агентом сушки. Опыт показывает, что наиболее эффективным способом сушки хлопка-сырца является конвективный способ, характеризуемый высокой интенсивностью процессов внешнего тепдообмена в системе влажный материал - сушильный агент, вследствие развитой поверхности контакта фаз между ними и повышенной скоростью омывания материала сушильным агентом. Сушильным агентом (рабочим телом) служит смесь продуктов сгорания тракторного керосина или природного газа с воздухом. При аналитическом исследовании процесса сушки хлопка-сырца вла-гообмен рассматривается раздельно для волокна и семян, так как влага удаляется неравномерно из компонентов хлопка. Процесс обезвоживания волокна происходит в результате испарения влаги со свободной поверхности, а обезвоживание семян определяется скоростью диффузии влаги через пористую твердую фазу (кожуру). Процессы теплообмена и влагообмена при сушке неразрывно связаны. Процесс переноса тепла в кожуре осуществляется как теплопроводностью твердого скелета кожуры, так и теплообменом между твердой частью и проходящей через поры влагой. Следовательно, необходимо знать коэффициент теплопроводности кожуры. Главной задачей технологии сушки является сохранение физико - ме- ханических свойств волокна и биологических свойств семени волокна. Для технических сортов хлопка-сырца предельно допустимой температурой нагрева считается температура 70 С. Однако эта температура является условной, принятой в хлопкоочистительной промышленности как наиболее оптимальная температура нагрева хлопка, при которой технологические свойства волокна не только ухудшаются, но даже улучшаются. В зависимости от способа сушки и типа применяемых сушилок предельно допустимая температура может колебаться в диапазоне 70-80С. В практике сушки известны случаи кратковременного пребывания хлопка-сырца в нагретом состоянии при температуре выше 100С при полном сохранении его качеств.
Очень важно, чтобы в процессе сушки температура нагрева не превышала предельно допустимую температуру. Для определения температуры нагрева хлопка-сырца на втором (заключительном) периоде процесса используется теория нестационарного теплообмена. Теория позволяет найти температуру нагрева поверхности испарения (поверхности семян) по температуре агента сушки, коэффициента теплоотдачи, скорости нагревания, изобарной теплоемкости семян. Температура внутренней части семян, т.е. ядра, определяется по температуре нагрева поверхности, если известен коэффициент температуропроводности ядра. Из вышесказанного следует, что процесс сушки хлопка-сырца требует знания удельной изобарной теплоемкости, коэффициента теплопроводности и коэффициента температуропроводности его компонентов. Вопрос о том, можно ли использовать эффективные значения теплофизических параметров при сушке хлопка сырца, проанализирован в п.4.1. Покажем теперь, что знание одного из эффективных теплофизических параметров данного компонента любого сорта позволяет найти два других эффективных теплофизических параметра этого компонента для других сортов. Для этого надо построить, используя формулы (4.2.10)-(4.2.24), графики зависимости одного из приведенных параметров, например С"р, от двух дру- гих приведенных параметров так, чтобы каждая точка на графике соответст-вовала значениям двух приведенных параметров при одной и той же температуре. На рис. 4.3.1 и 4.3.2 приведены графики зависимости С от Я и С р от а для хлопка-сырца и его компонентов. Если измерена эффективная удельная изобарная теплоемкость Ср хлопка-сырца одного сорта, то по формулам (4.3.1) можно рассчитать с погрешностью до 6% эффективные коэффициенты теплопроводности Л и температуропроводности а хлопка-сырца любого другого сорта при тех температурах, при которых проведено измерение Ср. То же самое относится ко всем компонентам хлопка-сырца. Например, если известны экспериментальные эффективные значения коэффициента температуропроводности ядра семян хлопка-сырца III сорта, то формулы (4.3.5) позволяют рассчитать эффектив- ные удельную изобарную теплоемкость и коэффициент теплопроводности ядра семян хлопка-сырца 1-го и 11-го сортов. Аналогичным образом можно построить графики зависимостей X от С р па , или а от С и Я и найти соответствующие им аналогические зависимости. Эти зависимости будут эквивалентными зависимостям (4.3.1)-(4.3.5). Предложенный метод установления связей между приведенными теплофизическими параметрами может быть без труда использован при исследовании теплофизических параметров других селекционных сортов хлопка-сырца. 4.4. Рекомендации для практического использования результатов исследования свойств хлопка-сырца и его компонентов 1. Результаты исследования теплофизических свойств хлопка-сырца разновидности 9326-В рекомендуется использовать в Акционерном обществе открытого типа «Умед-1» (Курган-Тюбинский хлопзавод) при расчете технологического процесса сушки хлопка-сырца, в частности для расчета расхода тепла на нагревание хлопка-сырца, а также для определения сорта хлопка-сырца.
Результаты измерения линейной плотности и разрывной нагрузки представлены Таджикстандарту для включения в стандартные справочные данные. В п.3.2.1-3.2.3 было показано, что разница между соответствующим те-плофизическим параметрами компонентов для различных смежных сортов хлопка-сырца составляет 6-20%, тогда как погрешность измерения удельная изобарной теплоемкости и коэффициенте теплопроводности составляет 3,3%, а погрешность измерения коэффициента температуропроводност 4,2%. Следовательно, измеряя удельную изобарную теплоемкость или коэффициент теплопроводности одного из компонентов хлопка-сырца и сравнивая с известными значениями этого параметра для всех сортов хлопка-сырца, можно установить сорт хлопка. Мы предлагаем это делать следующим образом. Лаборанты хлопзавода и лаборатории ТиТО производят измерение одного из эффективных тепло-физических параметров, например теплоемкости Ср, хлопка-сырца ручного сбора разновидности 9326-В или любого его компонента экспресс-методом на автоматизированном теплофизическом комплексе лаборатории ТиТО позволяющем измерять эти параметры с погрешности не более 3%. Затем они сравнивают полученные значения теплофизического параметра со значениями этого параметра, определенными в лаборатории ТиТО при выполнении диссертационной работы и принятыми за эталонные, и устанавливают сорт хлопка-сырца. Предлагается использовать этот метод определения сорта хлопка-сырца разновидности 9326-В наряду с применяемым на хлопзаводе методом, основанным на определении влажности. При наличии на хлопзаводах прибора типа ЛПС-4 сорт хлопка-сырца определяют по разрывной нагрузке. Однако шкала этого прибора опрадупро-вана в миллиметрах водного столба и не дает возможности строить результаты с данными, полученными нами по разрывной нагрузке волокна. Поэтому мы рекомендуем также Курган - Тюбинскому хлопзаводу определять сорт хлопка по измерению разрывной нагрузки хлопкового волокна на приборе ДШ - ЗД . Сорт хлопка можно установить путем сравнения полученной разрывной нагрузки волокна с нашими данными, принимая их за эталонные. Применение нескольких независимых методов позволит исключить возможность случайной ошибки в определении сорта хлопка. 2. Новые уточненные значения линейной плотности, номера, разрывной нагрузки хлопкового волокна 2-го типа хлопка-сырца 1-го, П-го и Ш-го сортов разновидности 9326-В представлены Таджикстандарту для принятия в качестве стандартных справочных данных.
