Релаксационные явления

РЕФЕРАТ

Основы физико-химических процессов получения топливных пеллет

Введение

Современный период развития характеризуется явным истощением невозобновляемых ресурсов энергии и нанесением ущерба окружающей среде при их переработке. В связи с этим особую актуальность приобретает использование биотоплива, способное заменить традиционные топливные источники. Большую роль играет и экологическая чистота новых энергетических теплоносителей.

В последние годы энергетическое использование древесных отходов рассматривается как альтернатива традиционным видам топлива. Это связано с тем, что древесные отходы являются CO₂-нейтральными, имеют низкое содержание серы, относятся к возобновляемым источникам энергии. Все это привело к тому, что технологии получения энергии из древесных отходов в последние годы развиваются и совершенствуются. Переработка древесных отходов на топливные пеллеты решает многие проблемы, связанные со вторичной переработкой отходов древесины в процессе производства.

Изготовление топливных пеллет связано с переработкой древесного сырья, заключающаяся в измельчении низкосортного сырья, чтобы получить из него высококачественный материал. Процесс получения древесных пеллет классически состоит из следующих основных стадий: крупное дробление; сушка; мелкое дробление; смешение и водоподготовка; прессование; охлаждение и сушка; расфасовка.

Физико-химические основы многих технологических операций базируются на химии древесины и синтетических полимеров, физической и коллоидной химии, теории прочности. Получение топливных пеллет можно рассмотреть с точки зрения явлений, происходящих в условиях прессования при контакте древесных частиц между собой: когезия, релаксация, вякозкоупругие свойства компонентов древесины и их роль в межволоконном взаимодействии.

Зная физико-химические процессы, протекающие при получении топливных пеллет, можно разработать эффективные методы совершенствования технологии и улучшения свойств пеллет, полученных из древесины как хвойных, так и лиственных пород.

Вязкоупругие свойства древесных волокон при получении топливных пеллет

Знание вязкоупругих свойств древесных волокон необходимы для создания релаксационной теории и объяснения механизма межволоконного взаимодействия при образовании топливных пеллет. Технологические режимы с учётом вязкоупругих свойств древесины, регулируя которые можно согласовать оптимальные режимы с параметрами оборудования. Поскольку основные компоненты древесного комплекса являются полимерами, то их поведение при нагревании под давлением определяется их физическим состоянием [1].

Релаксационные явления

В общем виде релаксацией называется процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное. Релаксационные явления в полимерах возникают при любом нарушении статического равновесия, вызванном внешним воздействием. Они связаны с откликом на эти воздействия групп атомов, повторяющихся звеньев, сегментов макромолекул, надмолекулярных образований. Интервалы времени, в течение которого составляющие элементы достигают своего равновесия, зависят от химического строения и физической структуры полимера, типа релаксационного процесса, температуры и давления. Они лежат в очень широких пределах - от микросекунд до нескольких лет. Причём составляющие элементы структуры выступают в роли самостоятельных кинетических единиц различной подвижности. Подвижность конкретных элементов характеризуют временем релаксации.

За время релаксации принимают промежуток времени, в течение которого параметр, характеризующий отклонение системы в момент времени от статического равновесия, уменьшится по сравнению с его начальным значением в n раз.

Если мгновенно задать деформацию, то напряжение необходимое для поддержания постоянного значения деформации, со временем постепенно будет уменьшаться. Такое релаксационное явление называют релаксацией напряжения. Если же задать постоянное напряжение, то образец будет изменять свои размеры (деформироваться) по определённому закону. Такое релаксационное явление называют релаксацией деформации.

Для описания поведения полимеров при деформации используют механические модели, состоящие из идеальной упругой пружины (упругий элемент) и демпфера - поршня, огруженного в вязкую жидкость (вязкий элемент). Последовательное их соединение воспроизводит поведение упруговязких тел (модель Масквелла). Параллельное соединение моделирует поведение вязкоупругих тел (модель Кельвина). Довольно упрощённо можно принять, что модель Масквелла описывает поведение линейного полимера, модель Кельвина - сшитого [2].

Более точное описание свойств реального полимера получают с помощью обобщённых моделей. На рисунке 1 приведена модель из четырёх элементов, сочетающая модели Масквелла и Кельвина.

Рисунок 1 - Обобщённая модель и зависимость деформации от времени при постоянном напряжении и после его снятия t_сн

Приложение механического напряжения в момент t₀ вызывает полную деформацию по уравнению 1. Дополнительно к фактору времени добавляется фактор температуры. Эта эквивалентность влияния температуры и времени на релаксационные явления получила название принципа температурно-временной суперпозиции.

е = е_упр + е_вэл+е_ост (1)

где е - полная деформация полимерного тела;

е_упр - мгновенно возникающая упругая деформация;

е_вэл - высокоэластическая деформация;

е_ост - остаточная деформация

Итак, полная деформация полимерного тела под воздействием силового поля состоит из трёх слагаемых. Мгновенно возникающая упругая деформация е_упр обусловлена изменениями валентных углов и расстояния между химически связанными центрами атомов. Высокоэластическая деформация е_вэл обусловлена релаксационными процессами перегруппировки структурных элементов полимера, приводящими к установлению нового равновесного расположения. Остаточная деформация е_ост отражает необратимое перемещение центров макромолекул и надмолекулярных структур и возрастает со временем неограниченно.

При снятии механического напряжения в момент t_сн мгновенная и релаксирующая части деформаций реагируют на новые условия. Процесс возвращения к исходному состоянию после снятия напряжения называют обратным упругим последействием. Оно протекает в два этапа: уменьшение деформации соответствует величине е_упр, постепенное уменьшение - е_вэл. Необратимая часть деформации не релаксирует и сохраняется без изменений. Изменение высокоэластичной части деформации (а через это и полной деформации) всегда отстаёт во времени от изменения напряжения как при развитии деформации, так и при восстановлении исходной формы образца. В основе лежат релаксационные явления. При циклическом изменении напряжения отставание деформации от напряжения приводит к превращению части энергии, затрачиваемой на деформирование, в тепло. Таким образом, механически обратимая высокоэластическая деформация вследствие её релаксационного характера термодинамически необратима [3].