ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Пористость

Обычно пористость материала Я определяется как отноше­ние общего объема пустот к объему тела в целом. Пористость равна нулю, когда твердое тело не содержит пор или трещин:

J-J _______________________ объем пустот Vn

Общий объем У

Пли

TOC o "1-3" h z j j-j_____________________ объем твердого тела __________ VT

Общий объем V0

Эффективная пористость ПВ<Ь(Ь

П _______________ Объем эффективных пустот ^ефф

■'■'эфф — ----

Общиіі объем ]/

л

Существует целый ряд методов и установок эксперимен­тального определения пористости различных материалов. В табл. 1 в качестве примера приведены физические свойства шпчных пористых материалов.

Удельная поверхность. Под удельной поверхностью обычно понимаю г площадь внутренних поверхностен пор на единицу ооьема материала. Удельная поверхность определяет пропп - ааемої п, члпп. члирпонорпегот гелп, г е способное*, тел я пропускать через себя жидкость

„ площадь пор,1-м

V л t U - 1-

Объем

В табл. 2. 3 и 4 в качестве примера нрпведеп. ы зависимости і - ^ффпцпеита пронпцаемосіп от ряда параметров пористых материалов

2. Распределение пор по радиусу

Наличие в теле пор различных геометрических размеров. чіп rcf функцией распределения пор по размерам. Если ноль оваться понятием гидравлического приведенного диамет­ра пор, г е. если предполагать, что условные поры имеют вид сфер, объем чоторых равен фактическому, п эти сферы харак - 1 рн мг. гея условными диаметрами, можно ввести фупкшио распределения а(г), определяемую уравнением

Dv —а (г) dr. (1.1)

І і1 dv обьем пор, имеющих радиусы от г до r+dr. Здесь s обьем всех пор, имеющих радиус г или больше г.

Чаще всего пористые материалы и фитили таких аппаратов, і ік іеплопередающие трубки, имеют размер пор от 0,1 до 1000 I (.іпГиі.'їсі - по'ілп'їяіцнм мсіпдом ч. чи < шрсдс. ченпя

(jniiMuin распределения nop u jtom днапашпо является метод ртутлого поромера. По измерению давлення, необходимого для того, чтобы вогнать ртуть гаїутрь пористого тела, п по регистрации объема ртути в порах определяют кривую распре­деления пор по радиусу.

Таблица 2 Влияние формы частиц на проницаемость

Когда несмачиваюіцая жидкость, такая, как ртуть, вдавли­вается в поры, она образует мениски, кривизна которых опре­деляется размерами и формой пор и свойствами материала. Если жидкость не смачивает стенки, то необходимо прило­жить внешнее давление, чтобы вогнать ее в поры.

Для определенного размера пор прилагаемое внешнее из­быточное давление определяется уравнением Лапласа—Юнга

Где АР— падение давления на поверхности раздела ж па­кость— пар; о—коэффициент поверхностного натяжения-. Rі и R2 — радиусы кривизны, необходимые для описания трехмер­ной поверхности в пространстве. Если предварительно отка­чать газ из пор фитиля, а затем вдавливать жидкость, то Р=*АР при условии, что парциальное давление паров жидко­сти мало.

Безусловно, реальные размеры пор далеки от сферической г. ли цилиндрической формы, однако часто пользуются эквива­лентным радиусом пор, который определяется как

Где S — площадь поперечного сечения поры; L периметр поры.

TOC o "1-3" h z FaL = PS, (1.3)

Где F„ — сила поверхностного натяжения на единицу длины поверхности раздела.

Fa = a cos Ф, (1.4)

Где Ф — угол контакта жидкость — твердое тело.

Объединяя вышеприведенные уравнения, получаем

Pr = 2о cos Ф. (1.5)

Для постоянных величии поверхностного натяжения и угла смачивания это уравнение непосредственно связывает радиус пор г с давлением Р, необходимым для проталкивания несма - чивающей жидкости в пористую среду.

В дифференциальном виде уравнение (1.5) можно предста­вить как

Nil' | /'с/г 0. (1. (>

Комбинация уравнения (1.1). (1.3) и (1.5) дает выражение для определения функции распределения пор по радиусу

DV

(2а cos Ф) dP

Для определения а(г) необходимо измерить Р и v. Рассчи­тав а(г), мы по формуле (1.7) можем найти г, зная о и угол Ф. Для ртути о=473 дн/см при 20 °С, а угол Ф~ 130° (для метал­ів

/Т Р'|С- Типичная кривая распреде­

Ления пор по радиусам

Лов). Производную dv/dP можно панти из графика за­висимости Р от v.

На рис 1 приведена ти­пичная кривая распределе­ния пор по радиусу.

І Із уравнения (1.5) нахо­дится диаметр пор

4 a cos Ф

Часто вместо гидравлического диаметра пор пользуются шаметром пор в виде медианы D„. Она определяется как ха­рактерный размер поры, когда 50% поры заполнено жндко-

С1ыо.

В табл. 5 приведены данные по измеренным гидравличе­ским диаметрам пор п D„.

Отношение проходного сечения пор пористого материала к общему поперечному сечению. Отношение проходного сечепня і общей площади поперечного сечепня пористого тела опреде­ляется как

При этом предполагается, что тело изотропно п что размеры пор, по которым может двигаться жидкость, существенно мень­ше размеров тела.

Рассмотрим пористое тело в виде бруса длиной ль в на­правлении х и площадью поперечного сечения 5общ в направ - тенин, перпендикулярном X.

Lit уравнения (19) площадь пор находится как

Таблица 5 Гидравлический диаметр пор некоторых материалов

(1.10)

Общин объем тела можно представить в виде

(1.11)

Аналогично

Ипар — fj О

Тогда порпстость П можно найти

[ FSoCnndx

/7 = —

Если считать, что поры распределены равномерно по пори­стому телу и их размеры ничтожно малы по сравнению с раз-

Мерами тела, то можно полагать, что отношение проходного еечеиня пор к общему поперечному сечоншо F постоянно, т. е. поверхностная пористость будет равна объемной пористости

F = n. (1.14)

Величина поверхностной пористости может быть полезной при определении потока жидкости через пористый материал, крите­рия Re и эквивалентного диаметра пор

Приготовление срезов пористых материалов. Для опреде­ления поверхностной пористости и размера пор оптическими методами очень важно правильно изготовлять срезы пористых материалов для дальнейшего их исследования с помощью оп тическнх приборов. Традиционные способы распиливания и разрезания пористых материалов часто приводят к искажению истинной картины. Чтобы избежать смятия и деформации пор іасто пористый материал заполняют каким-либо наполнителем (металл, соли и т. д.), который во премя распилнваиня предо­храняет поры, а затем удаляется либо путем нагрева и рас­плавления исполнители, либо каким то химическим способом.

Однако при этом является вероятным то, что часть напол­нителя может остаться в порах.

На рис. 2 показан срез материала, полученный с помошыо электроискрового разряда. Диэлектрическая жидкость, прого­няемая по порам тела, одновременно охлаждает образец и уда­ляет стружку.

Этот способ обработки значительно уменьшает деформа­цию пор на срезе.

Одним из перспективных способов разрезания металличе­ских пористых образцов является электрохимический способ (рис.3) Этот способ аналогичен электрогальваническому, только на образец не наносится металл, а, наоборот, снимает­ся слон металла. В данном случае резец и металлическиіі об­разец являются электродами. Электролит (например, раствор соли) прогоняется между резцом и пористым материалом, между которыми приложено электрическое напряжение. Элек­тролит служит электропроводящей и охлаждающей средой, од повременно потоком электролита уносится стружка.