ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОРИСТЫХ ТЕЛАХ С УЧЕТОМ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ ПАРАМЕТРОВ НА УГЛУБЛЯЮЩЕЙСЯ ГРАНИЦЕ ИСПАРЕНИЯ

An approximate method is suggested for calculating heat and mass transfer in cylindrical porous bodies with deepening of the evaporation boundary with account of the variability of vapor temperature and pressure on it. Dependences of evaporation boundary deepening and kinetics of drying on the parameters of porous medium and external thermal effect have been found.Предложен приближенный метод расчета тепломассопереноса в цилиндрических пористых телах при углублении границы испарения с учетом переменности температуры и давления пара на ней. Установлены зависимости углубления границы испарения и кинетики процесса сушки от параметров пористой среды и внешнего теплового воздействия

ТЕРМОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ КАМЕРЕ СО ВСТРЕЧНЫМИ ПОТОКАМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

The article deals with the results of thermohydrodynamic processes in a spraying chamber with direct gas flow and counter-current flows. The upper gas distribution device in a spraying chamber is shaped as a grid system, while the bottom device represents a branch pipe with a swirler pointing upwards. The chamber features counter-current flow interactions, and the bottom flow is introduced as a swirling jet. The experimental calculations of gas axial flow rates, temperature and thermal conductivity distribution in different chamber sections are provided. The thermal conductivity properties were determined with the normal mode method. The study was performed with ball-shaped sensors made of materials with high thermal conductivity (copper, brass) with centered thermocouples. The upper gas distribution system in the form of two grids (if no bottom gas inlet was involved) was found to build up an axisymmetric thermal conductivity model, and, consequently, the model-specific gas distribution in the spraying chamber. Referring to the study device, a hole (nozzle) near the burner results in asymmetric pattern, irregular gas distribution and generation of low-activity areas. Thermal conductivity values in the chamber central area turn to be higher than at the peripheral areas due to gas jet flow. Besides, heat exchange intensity in the chamber central area decreases significantly upon distance from the chamber floor. An extra bottom inlet of heat medium and creation of counter flows was shown to result in substantial increase in thermal conductivity (1.5–2 times) in the chamber central paraxial area and lower section, thus evidencing the hydrodynamic activation and heat and mass exchange intensification, which benefits to more effective use of chamber capacity and improved drying performance.Обсуждаются результаты исследования термогидродинамических процессов в распылительной камере с прямоточным движением газа и встречными потоками. Верхнее устройство газораспределения в распылительной камере выполнено в виде системы решеток, а нижнее представляет собой патрубок с завихрителем, направленным вверх. В камере реализовано встречное взаимодействие потоков, причем нижний поток вводится в виде закрученной струи. Приведены результаты экспериментальных исследований осевой составляющей скорости газа, распределения температуры и коэффициента теплоотдачи в различных сечениях камеры. Коэффициент теплоотдачи определялся методом регулярного режима. Измерения проводились шарообразными датчиками из материалов с высокой теплопроводностью (меди, латуни) с зачеканенной по центру термопарой. Установлено, что верхняя система газораспределения в виде двух решеток (при отсутствии нижнего дополнительного ввода газа) позволяет достигнуть осесимметричного распределения коэффициента теплоотдачи, а следовательно, и газораспределения в распылительной камере. Для исследованного устройства наличие отверстия (сопла) около форсунки приводит к несимметричности профиля, неравномерности газораспределения и образованию малоактивных зон. Значения коэффициента теплоотдачи в центральной зоне камеры значительно выше, чем в периферийной зоне, что обусловлено струйным течением газа. При этом с удалением от перекрытия интенсивность теплообмена в центральной области камеры существенно снижается. Показано, что дополнительный нижний ввод теплоносителя и создание режима встречных потоков приводит к значительному увеличению в 1,5−2 раза коэффициента теплоотдачи в центральной приосевой зоне и нижней части камеры и свидетельствует об активизации гидродинамического режима и интенсификации тепломассообмена. Это способствует более эффективному использованию объема камеры и повышению ее влагонапряженности.

Тепломассоперенос в продуваемом слое растительных материалов при циклическом микроволновом энергоподводе

The results of modeling and experimental study of heat and mass transfer in a dense blown layer of plant materials under cyclic microwave exposure are presented. The two-dimensional mathematical model consists of the equations of conservation of the mass of the gas phase, filtration, heat and mass transfer in phases, which take into account the internal resistance to heat and moisture transfer in the particles when determining the heat and mass transfer coefficients. In this case, the dependences of the heat of the phase transition on the humidity of the particles, their shrinkage during dehydration, and the dependences of the effective coefficients of thermal conductivity of the gas and vapor diffusion on the filtration rate are taken into account. The simulation results of drying chopped potatoes in a dense layer with a cyclic microwave convective energy supply are presented. The possibility of intensifying the process of moisture dehydration and reducing its duration compared with the convective method is shown. Comparison of calculated data with experimental data confirms the adequacy of the model.Приведены результаты моделирования и экспериментального исследования тепломассопереноса в плотном продуваемом слое растительных материалов при циклическом микроволновом воздействии. Двумерная математическая модель состоит из уравнений сохранения массы газовой фазы, фильтрации, тепло- и массопереноса в фазах, которые учитывают внутреннее сопротивление переносу теплоты и влаги в частицах при определении коэффициентов тепло- и массоотдачи. При этом учитываются зависимости теплоты фазового перехода от влажности частиц, их усадки в процессе дегидратации, зависимости эффективных коэффициентов теплопроводности газа и диффузии пара от скорости фильтрации. В качестве примера приводится моделирование сушки нарезанного картофеля в плотном слое при циклическом СВЧ-конвективном энергоподводе. Показана возможность интенсификации процесса дегидратации влаги и сокращения его продолжительности по сравнению с конвективным способом. Выполнено сравнение расчетных данных с опытными данными, подтверждающее адекватность модели

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ЛЕГИРОВАННЫХ ВАНАДИЕМ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЦИНКОВЫХ ПОКРЫТИЙ

The possibility of vanadium-alloyed zinc coatings electrochemical deposition from alkaline electrolyte containing 5.5 g/l Na3VO4 has been shown. Vanadium content in zinc coating depends on cathodic current density and is 1.5–4.1% under cathodic deposition current 1–3 A/dm2. The process of chemical passivation of galvanic coating have been studied in sodium vanadate solution at 20–40 °C temperature, with pH 3 kept constant by phosphoric acid. It has been shown by XRD method that conversion coatings formed consist of Zn, ZnO, V2O5, V(HPO4)2, Zn3(PO4)2. The corrosion current of passivated alloyed zinc coatings deposited at 2 A/dm2 was 4.1–12.6 times less than corrosion current of alloyed zinc in 3% NaCl solution. Conversion coatings demonstrate high protective ability when treated with lead acetate solution (50 g/dm3 ). Показана возможность электрохимического осаждения легированного ванадием цинкового покрытия из щелочного электролита с содержанием 5,5 г/дм3 Na3VO4. Содержание ванадия в цинковом покрытии находится в пределах 1,5–4,1 % при катодной плотности тока осаждения покрытия 1–3 А/дм2 . Изучен процесс химической пассивации гальванических покрытий в растворе ванадата натрия при температуре 20–40 °С, значение рН которого поддерживалось равным 3 ортофосфорной кислотой. Методом РФА в составе образованных конверсионных покрытий обнаружены Zn, ZnO, V2O5, V(HPO4)2, Zn3(PO4)2. Ток коррозии пассивированных легированных цинковых покрытий, осажденных при 2 А/дм2, в 3 %-ном растворе хлорида натрия снижается в 4,1–12,6 раза по сравнению с непассивированным покрытием. Показано, что конверсионные покрытия на основе ванадия обладают высокой защитной способностью при воздействии раствора ацетата свинца (50 г/дм3 ).

СОПРЯЖЕННЫЙ ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПОЛУЧЕНИИ СТЕКЛЯННЫХ МИКРОСФЕР В ГАЗОПЛАМЕННОМ РЕАКТОРЕ

A model for the process of glass microsphere production in a recuperative gas-flame reactor was proposed. Based on the described mathematical model of heating and motion of particles in a high-temperature gas stream, which takes into account conjugate heat exchange between the reactor’s operating environment and the recuperator, the appropriate processes were modeled and optimized by geometric and regime parameters. The particle location time in the reactor at a temperature above 1400 °С, which was determined by data of differential scanning colorimetry, was used as an optimized charac- С, which was determined by data of differential scanning colorimetry, was used as an optimized charac- , which was determined by data of differential scanning colorimetry, was used as an optimized characteristic.As a result of optimization calculations, the reactor parameters (diameter and height, natural gas flow rate, air flow rate in the recuperator) were found, as well as regime parameters (diameter and flow rate of glass particles), under which microspheres can be formed. The information obtained can be a basis for designing an effective gas-flame reactor for production of glass microspheres.В работе была предложена модель, описывающая процесс получения стеклянных микросфер в газопламенном реакторе рекуперативного типа. На основе описанной математической модели нагрева и движения частиц в высокотемпературном газовом потоке, учитывающей сопряженный теплообмен между рабочей средой реактора и рекуператором, проведено моделирование и оптимизация соответствующих процессов по геометрическим и режимным параметрам. В качестве оптимизируемой характеристики использовалось время пребывания частиц стекла в реакторе при температуре выше 1400 °С, которое определено на основе данных дифференциальной сканирующей колориметрии.В результате оптимизационных расчетов найдена область параметров реактора (диаметр и высота, расход при-родного газа, расход продуваемого через рекуператор воздуха), а также режимных параметров (диаметр и расход частиц стекла), в которых возможно формирование микросфер. Полученная информация может служить основой для проектирования эффективного газопламенного реактора для получения стеклянных микросфер

Тепломассообмен капель концентрированных растворов при распылительной дегидратации в условиях конвективно-радиационного энергоподвода

The results of modeling the dehydration of drops of a concentrated liquid, on the example of ceramics, with convective-radiation energy supply under conditions of direct-flow and counter-current phase motion, as well as pulsed counter-flows of gas, are presented. A model for the dehydration of a single drop is formulated based on the equations of heat conduction with a source term and diffusion of moisture, taking into account the change in its size due to evaporation. This takes into account the influence of the convective vapor flow from the evaporating droplet surface (Stefan flow), as well as the blowing of evaporating vapor into the hot gas flow on the heat transfer coefficient (Spalding correction). The impact of infrared radiation is described by the Bouguer equation. The equation of motion of a drop in a gas flow takes into account the forces due to gravity, the difference in velocities and phase densities. As a result of numerical simulation, it was found that with countercurrent phase movement, the intensity of dehydration is higher than with cocurrent flow. This is due to both an increase in the relative velocity of the phases and an increase in the residence time of the drop in the intense region of infrared radiation. It is shown that further intensification of evaporation is possible due to the creation of pulsed counter gas flows. The calculated results are compared with the experimental data, which confirms the adequacy of the model. The results of the study can be useful in the development of new heat technologies and devices for dehydration of concentrated solutions and suspensions. Приведены результаты моделирования дегидратации капель концентрированной жидкости на примере керамики при конвективно-радиационном энергоподводе в условиях прямоточного и противоточного движения фаз, а также импульсных встречных потоков теплоносителя. Сформулирована модель дегидратации одиночной капли на основе уравнений теплопроводности с источниковым членом и диффузии влаги с учетом изменения ее размера вследствие испарения. При этом учитывается влияние конвективного потока пара с испаряющейся поверхности капли (поток Стефана), а также вдува испаряющегося пара в поток горячего газа на коэффициент теплоотдачи (поправка Сполдинга). Воздействие инфракрасного излучения описывается уравнением Бугера. Уравнение движения капли в газовом потоке учитывает силы, обусловленные гравитацией, разностью скоростей и плотностей фаз. В результате численного моделирования установлено, что при противоточном движении фаз интенсивность дегидратации выше, чем при прямотоке. Это обусловлено как повышением относительной скорости движения фаз, так и увеличением времени пребывания капли в интенсивной области инфракрасного излучения. Показано, что дальнейшая интенсификация испарения возможна за счет создания импульсных встречных потоков теплоносителя. Выполнено сравнение расчетных результатов с опытными данными, подтверждающее адекватность модели. Результаты исследования могут быть полезны при разработке новых теплотехнологий и аппаратов для дегидратации концентрированных растворов и суспензий

АНТИКОРРОЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ПИГМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ВАНАДАТОВ ВИСМУТА И КАЛЬЦИЯ

BiVO4, Ca3(VO4)2 and mixed Ca3(VO4)2 BiVO4 vanadates of chemical composition have been synthesized by solvo-thermal method. Dispersibility of obtained BiVO4 pigment is 3,33-0,20 цгп-1, oil adsorption for BiVO4, Ca3(VO4)2 and mixed Ca3(VO4)2 BiVO4 pigments is 24, 23 and 21 g for 100 g of the pigment respectively, density of all synthesized pigments is in range of 4,4-4,7 g/dm3. pH value of aqueous suspensions for all obtained pigments is in range of 7,0 ± 0,5 that provides immunity of steel substrate in contact with pigments. In presence of pigments (5g/l in 3% sodium chloride solution), corrosion current decreases 2,4 times with BiVO4; 5,8 times with Ca3(VO4)2 BiVO4 and 7,6 times with Ca3(VO4)2.Сольвотермическим методом синтезированы ванадаты BiVO4, Ca3(VO4)2, а также смешанный ванадат Ca3(VO4)2 BiVO4. Дисперсность синтезированного пигмента BiVO4 составляет 3,33-0,2 мкм-1. Значения маслоемкости первого рода для синтезированных пигментов BiVO4, Ca3(VO4)2BiVO4 и Ca3(VO4)2 составляют 24, 23 и 21 г/100г соответственно, плотности порошков находятся в интервале 4,4-4,7 г/дм3. Значения рН водных суспензий для всех исследуемых ванадатов находятся в интервале 7,0 ± 0,5, что обеспечивает устойчивость стальной подложки при контакте с пигментами. При введении порошков пигментов в количестве 5 г/дм3 в 3 %-ный раствор хлорида натрия ток коррозии углеродистой стали уменьшается в 2,4 раза в присутствии BiVO4; в 5,8 раза в присутствии Ca3(VO4)2 BiVO4; в 7,6 раза в присутствии Ca3(VO4)2

Керамоматричный композит из карбида кремния и допированного азотом наноструктурированного углерода для электродов суперконденсаторов

The results of studies on the production of a porous ceramic-matrix composite material C–N/SiC from silicon carbide and nitrogen-doped nanostructured carbon for subsequent use as supercapacitor electrodes are presented. The material is formed by pressing silicon carbide micropowder (1 µm) and impregnating with a solution of carbamide (nitrogen source) in phenol-formaldehyde varnish (carbon source), curing and pyrolysis in a nitrogen atmosphere. The maximum concentration of carbamide was obtained in the solution (16 wt.%) at 50 ºС with a viscosity of 134.3 mPa⋅s. Thermogravimetric analysis in nitrogen of the cured solution revealed multistage decomposition with a residual mass of C–N of 48 % at 1000 ºС. Studies of the elemental composition showed a nitrogen content of 1.4 wt.% in C–N/SiC composite (up to 7 % of C–N active mass). In the composite structure, the C–N carbon-nitrogen layer (up to 12 wt.%) distributed inside the matrix pores and covering the SiC grains is X-ray amorphous has a complex nanoscale relief with an average pore size of 1.0–1.5 nm. According to electrochemical studies, the specific capacitance of the C–N/SiC material and the C–N active layer is 16.84 and 153.2 F/g respectively, and the equivalent resistance of the test supercapacitor cell with C–N/SiC electrodes is 0.567 Ohm for samples with maximum doping. The electrodes operate according to the sorption-desorption mechanism of charge accumulation and release, which is typical for a classic supercapacitor based on a double electric layer without the presence of redox reactions on the electrodes. The influence of technological regimes of pyrolysis on the electrophysical parameters of the cell is revealed: lower values of the pyrolysis temperature and nitrogen pressure in the chamber lead to an increase of the material specific capacitance and reduction of the cell equivalent resistance. The obtained results demonstrate the possibility of utilizing C–N/SiC material for the manufacture of supercapacitor electrodes.Представлены результаты исследований по получению пористого керамоматричного композитного материала C–N/SiC из карбида кремния и допированного азотом наноструктурированного углерода. Материал сформирован посредством прессования микропорошка (1 мкм) карбида кремния и пропитки раствором карбамида (источ ник азота) в фенолформальдегидном лаке (источник углерода), сушки и пиролиза в атмосфере азота. Получена максимальная при 50 °С концентрация карбамида в растворе (16 мас.%) с вязкостью 134,3 мПа·с. Термогравиметрический анализ в азоте высушенного раствора выявил многостадийное разложение с остаточной массой C–N 48 % при 1000 °С. Исследования элементного состава показали содержание азота 1,4 мас.% в композите C–N/SiC (до 7 % от активной массы C–N). В структуре композита углерод-азотный слой C–N (до 12 мас.%), распределенный внутри пор матрицы и покрывающий зерна SiC, является рентгеноаморфным и обладает комплексным наноразмерным рельефом со средним размером пор 1,0–1,5 нм. По данным электрохимических исследований удельная емкость материала C–N/SiC и активного слоя C–N составляет 16,84 и 153,2 Ф/г соответственно, а эквивалентное сопротивление тестовой суперконденсаторной ячейки с электродами C–N/SiC равно 0,567 Ом для образцов с максимальным допированием. Электроды работают по сорбционно-десорбционному механизму накопления и отдачи заряда, что характерно для классического суперконденсатора, работающего на двойном электрическом слое без присутствия окислительно-восстановительных реакций на электродах. Выявлено влияние технологических режимов пиролиза на электрофизические параметры ячейки: более низкие значения температуры пиролиза и давления азота в камере позволяют повысить удельную емкость материала и понизить эквивалентное сопротивление ячейки. Полученные результаты демонстрируют возможность применения C–N/SiC-материала для изготовления электродов суперконденсаторов

Оценка факторов, влияющих на сорбцию диоксида серы волокнистыми анионитами ФИБАН

The sorption of sulfur dioxide from the air by the fibrous anion exchangers containing amino groups of different structure and basicity has been comparatively investigated. The most effective sorbents of sulfur dioxide are the anion exchangers with ternary amino groups, which have a high exchange capacity (more than 5 meq/g) and additionally contain secondary amino groups. The anion exchangers with high-base amino groups absorb sulfur dioxide at low relative humidity (30 %) but have low dynamic sorption capicity (up to 1.3 meq/g). The anion exchangers with primary and secondary amino groups absorb sulfur dioxide at high relative humidity (more than 54 %) if their cation exchange capacity is several times less than the anion exchange capacity. Проведено сравнительное исследование волокнистых анионитов ФИБАН с аминогруппами различной структуры и основности в отношении сорбции диоксида серы из воздуха. Показано, что основными факторами, влияющими на сорбцию диоксида серы, являются влагоемкость анионитов в условиях заданной влажности газовоздушного потока, основность и природа аминогрупп, а также наличие катионообменных групп в составе анионита. Аниониты с сильноосновными группами поглощают диоксид серы при низких значениях относительной влажности воздуха (30 %), но обладают невысокой динамической сорбционной емкостью (до 1,3 мг-экв/г). Аниониты, содержащие первичные и вторичные аминогруппы, могут быть использованы для сорбции диоксида серы при повышенных значениях относительной влажности воздуха (более 54 %) в том случае, если их катионообменная емкость в несколько раз меньше анионообменной. Наиболее эффективными сорбентами диоксида серы являются аниониты с третичными аминогруппами, которые обладают высокой обменной емкостью (более 5 мг-экв/г) и дополнительно содержат вторичные аминогруппы

Синтез и свойства новых сильноосновных волокнистых анионитов

A synthesis method of new fibrous anion exchangers with strong base groups has been developed. The synthesis was carried out by alkylation of weakly basic anion exchangers based on polyacrylonitrile fiber using two alkylating agents: epichlorohydrin and ethylene chlorohydrin. The influence of the reaction conditions on the physicochemical properties of new anion exchangers was investigated. The synthesis parameters were determined: the molar ratio of “amino groups: alkylating agent”, the concentration of the alkylating agent, the reaction time and temperature – to obtain anion exchangers with maximum exchange capacity for strong base groups. New strongly basic fibers possess satisfactory mechanical properties allowing their processing into various textile forms.Отработана методика синтеза новых волокнистых анионитов с сильноосновными группами путем алкилирования слабоосновных анионитов на основе полиакрилонитрильного волокна с помощью двух алкилирующих агентов: эпихлоргидрина и этиленхлоргидрина. Исследовано влияние условий получения новых анионитов на их физико-химические свойства. Определены параметры синтеза: мольное соотношение «аминогруппы : алкилирующий агент», концентрация алкилирующего агента, время и температура реакции для получения анионитов с максимальной обменной емкостью по сильноосновным группам. Показаны удовлетворительные механические свойства новых сильноосновных волокон для их переработки в различные текстильные формы