СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ РАСТВОРИТЕЛЕЙ В МАССИВНЫХ ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ОРТОТРОПНЫХ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF DETERMINING DIFFUSION COEFFICIENT OF SOLVENTS IN MASSIVE PRODUCTS FROM ORTHOTROPIC CAPILLARY-POROUS MATERIALS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса в капиллярно-пористых материалах для определения коэффициентов диффузии растворителей в строительных материалах и конструкциях, а также в пищевой, химической и других отраслях промышленности. Ортотропные материалы характеризуются существенным различием свойств в перпендикулярных направлениях, например вдоль и поперек волокон.
Известен способ определения коэффициента диффузии влаги в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов (Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ - 2005. - Мат-лы второй научн.-практ. конф. - М. - 2005, Т. 2, с. 315-318). В методе используется модель взаимодействия двух полубесконечных тел. Для реализации метода изготавливают три одинаковых образца в форме параллелепипедов, имеющих одну поверхность массообмена образцов друг с другом - плоскость контакта. Остальные поверхности образцов влагоизолируют. В одном из образцов (образец №2) делают отверстия для размещения двух электродов гальванического преобразователя локального влагосодержания в плоскости, отстоящей на заданном расстояния от поверхности массообмена данного образца с образцами №1 и №3. В образцах №2 и №3 перед началом эксперимента создают одинаковое, а в образце №1 несколько большее равномерное влагосодержание. В процессе эксперимента образец №2 приводят в соприкосновение по плоскости массообмена сначала с образцом №1, затем образец №1 меняют на образец №3, получая тем самым импульсное воздействие от плоского источника влаги в неограниченной среде.
Недостатками этого способа являются необходимость подготовки образцов заданной конфигурации, что связано с затратами времени и средств; осуществление разрушающего контроля при размещении электродов датчика во внутренних слоях образца; необходимость создания различных значений равномерного влагосодержания в образцах значительной толщины, влагоизолированных по всем поверхностям, кроме поверхности массообмена, что связано со значительными затратами времени.
11
Наиболее близким является способ определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из капиллярно-пористых материалов (патент РФ 2492457, МПК G01N 27/26, G01N 13/00, 10.09.2013, Бюл. №25.). В массивном изделии из капиллярно-пористых материалов, имеющем по крайней мере одну плоскую поверхность (например, цементные или гипсовые плиты), создают равномерное начальное распределение растворителя. Затем производят импульсное точечное соприкосновение плоской поверхности исследуемого изделия с источником растворителя, после чего гидроизолируют эту поверхность, располагают электроды гальванического преобразователя на этой поверхности по концентрической окружности относительно точки подачи дозы растворителя, измеряют изменение во времени ЭДС гальванического преобразователя и рассчитывают искомый коэффициент диффузии по установленной зависимости.
Недостатками этого способа являются низкая точность определения коэффициента диффузии растворителей в изделиях из ортотропных материалов вследствие неадекватности используемого математического описания процесса массопереноса в массивном изделии при точечном импульсном воздействии из-за существенного различия свойств материала в различных направлениях; дополнительная погрешность в случае соизмеримости размеров пор с размерами электродов гальванического преобразователя, когда исследуемый материал не может считаться статистически однородным, выражающаяся, например, в том, что не обеспечивается достаточно надежный контакт электродов преобразователя с контролируемым изделием при попадании точечных электродов в поры исследуемого материала; отсутствие возможности определения коэффициента диффузии в различных направлениях ортотропного капиллярно-пористого материала, например древесины, вдоль и поперек волокон.
Техническая задача предлагаемого технического решения предполагает повышение точности контроля и обеспечение возможности определения коэффициента диффузии растворителя в различных направлениях ортотропного капиллярно-пористого материала.
11
Техническая задача достигается тем, что в способе определения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов, имеющих по крайней мере одну плоскую поверхность с существенным различием свойств материала в перпендикулярных направлениях (например, теплоизолирующих блоков с ориентированным расположением волокон, отформованных с использованием неорганического связующего), включающем создание в исследуемом образце равномерного начального содержания распределенного в твердой фазе растворителя (в том числе и нулевого), приведение плоской поверхности образца в контакт с источником дозы растворителя, измерение изменения во времени сигнала гальванического преобразователя, определение времени достижения максимума на кривой изменения ЭДС гальванического преобразователя и расчет коэффициента диффузии. В отличие от прототипа (патент РФ 2492457, МПК G01N 27/26, G01N 13/00, 10.09.2013, Бюл. №25) импульсное воздействие на плоскую поверхность исследуемого изделия дозой растворителя осуществляют по прямой линии в заданном направлении ортотропного материала, выполняют электроды гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков и располагают их с обеих сторон линии импульсного воздействия на прямых, параллельных линии импульсного воздействия и расположенных на одинаковом заданном расстоянии от нее, рассчитывают коэффициент диффузии растворителя в исследуемом материале по установленной зависимости, что обеспечивает повышение точности контроля и возможность определения коэффициента диффузии растворителя в различных направлениях ортотропного капиллярно-пористого материала.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем: к плоской поверхности массивного изделия с равномерным начальным распределением растворителя (в том числе и нулевым) прижимается зонд с импульсным линейным источником массы и расположенными с обеих сторон линии импульсного воздействия на прямых, параллельных линии импульсного воздействия, на одинаковом заданном расстоянии от нее электродами гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков.
Зонд имеет прямолинейный паз, в котором размещают линейный импульсный источник растворителя. После подачи импульса дозой растворителя источник удаляется из зонда, прямолинейный паз герметизируется заглушкой, а сам зонд обеспечивает гидроизоляцию поверхности образца в зоне действия источника и прилегающей к ней области контроля распространения растворителя. После подачи импульса - дозы растворителя (мгновенного «увлажнения» линии поверхности изделия) фиксируют изменение ЭДС гальванического преобразователя во времени.
Для обеспечения контроля коэффициента диффузии растворителя в различных направлениях ортотропного материала линию импульсного воздействия ориентируют в заданном направлении материала (например, при исследовании волокнистого теплоизолятора - вдоль или поперек волокон). При этом обеспечивается однонаправленный массоперенос в нужном направлении, не искаженный массопереносом в перпендикулярном к исследуемому направлении. За счет этого повышается точность контроля и возможность определения коэффициента диффузии растворителей в различных направлениях массивного ортотропного капиллярно-пористого материала.
0
1
0
1
0
Размеры плоского участка изделия вдоль и поперек волокон ортотропного материала, а также длину линии, по которой наносится импульсное воздействие, выбирают из условия превышения величины (20 r+r), где r - расстояние от линии расположения электродов гальванического преобразователя до линии нанесения импульсного воздействия; r - размер прямолинейных отрезков электродов гальванического преобразователя, контактирующих с поверхностью изделия на линиях, параллельных линии импульсного воздействия. При толщине изделия больше 10 r процесс распространения растворителя в массивном изделии после нанесения такого импульса описывается краевой задачей массопереноса в неограниченной среде при нанесении импульсного воздействия от линейного источника массы:
0
0
где U (r,τ) - концентрация растворителя в исследуемом изделии на расстоянии r от линейного источника импульса массы в момент времени τ; D - коэффициент диффузии растворителя; δ(r, τ) - δ - функция Дирака; ρ - плотность абсолютно сухого исследуемого материала; W - мощность «мгновенного» источника массы, подействовавшего в начале координат r=0, вычисляемая как отношение дозы растворителя (подведенной к контролируемому изделию) к длине линии импульсного воздействия L; U - начальная концентрация растворителя в исследуемом материале в момент времени τ=0.
В этом случае изменение концентрации растворителя в зоне действия источника описывается функцией:
0
2
U(r,τ)-U=Q/(4πτ exp[r/4Dτ]).
Расчетная формула для определения коэффициента диффузии имеет вид:
max
0
0
где τ - время, соответствующее максимуму на кривой U(r, τ) изменения влагосодержания на расстоянии r от источника.
0
1
В предлагаемом техническом решении для фиксирования максимума концентрации растворителя на расстоянии r от источника применяются миниатюрные электроды гальванического преобразователя в виде прямолинейных отрезков, которые располагают с обеих сторон линии импульсного воздействия на прямых, параллельных линии импульсного воздействия. Размер r прямолинейных отрезков электродов гальванического преобразователя, контактирующих с поверхностью изделия, выбирается из условия десятикратного превышения размеров пор материала, чтобы исследуемый материал мог считаться статистически однородным. В этом случае повышается точность измерения за счет исключения искажений выходного сигнала гальванического преобразователя при возможном попадании рабочей части электродов в поры. Расположение электродов с двух сторон от источника позволяет снизить случайную погрешность измерения за счет усреднения процесса массопереноса растворителя в разных направлениях от источника.
0
0
ЭДС гальванического преобразователя определяется энергией связи растворителя с материалом, контактирующим с поверхностями его электродов. Так как распространение растворителя при организации данного способа осуществляется симметрично относительно линии импульсного воздействия, а линии размещения каждого из электродов находятся на одинаковом заданном расстоянии от нее, то концентрация растворителя на каждой линии расположения электродов будет одинаковой и зависящей только от расстояния r до линии импульсного воздействия на плоский участок изделия. Только в этом случае наблюдается однозначная связь ЭДС гальванического преобразователя с концентрацией растворителя в материале на линии, отстоящей от линейного источника на расстоянии r.
0
Так как статическая характеристика гальванического преобразователя монотонна, то в момент достижения концентрацией U(r, τ) своего максимального значения ЭДС преобразователя также достигает своего максимума. Это позволяет не проводить градуировку гальванических преобразователей по каждому исследуемому материалу и растворителю, а определять время достижения максимума на кривой изменения концентрации по времени достижения максимума ЭДС гальванического преобразователя. За счет этого существенно повышается оперативность измерения коэффициента диффузии растворителей в массивных изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов без их разрушения.
В таблицах 1 и 2 представлены результаты 20-кратных измерений коэффициента диффузии этанола вдоль и поперек волокон теплоизолирующих блоков, отформованных с использованием неорганического связующего, толщиной 100 мм, плотностью в сухом состоянии 420 кг/м куб. Величина импульса этанола составляла 120 микролитров, длина линии импульсного воздействия 90 мм. Размеры прямолинейных отрезков электродов гальванического преобразователя, контактирующих с исследуемым материалом, - 5 мм, расстояние от линейного источника растворителя до линий расположения электродов - 4 мм.
Погрешность результата измерения равна половине доверительного интервала и определялась следующим образом:
α,n
где - математическое ожидание случайной величины;  - среднеквадратическая погрешность отдельного измерения; t - коэффициент Стьюдента при доверительной вероятности α и количестве измерений n.
α,n
Проведенные экспериментальные исследования показали, что случайная погрешность результата определения коэффициента диффузии этанола вдоль и поперек волокон теплоизолятора при двадцатикратных испытаниях (t=2,1 при α=0,95) составляет 9,7 и 10,5% соответственно. Длительность единичного измерения не превышает соответственно 17 и 45 минут.