Использование эффекта самопроизвольного впитывания для удаления избыточной влаги

В статье рассматривается возможность применения нетканых полотен для удаления избыточной влаги в городах и сельской местности. Предложены способ и проект испарительной установки. Произведены расчеты максимальной высоты и скорости самопроизвольного впитывания, а также количества тепла, способствующего интенсификации испарения влаги с поверхности водоотводящих нетканых материалов.

УДК 691

М.Ю. ТРЕЩАЛИН, доктор техн. наук, профессор ФГБОУ ВО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова», Ю.М. ТРЕЩАЛИН, канд. техн. наук, докторант, ФГБОУ ВО «Костромской государственный университет», В.С. МАНДРОН, руководитель Центра перспективных разработок, Центральная пригородная пассажирская компания (ЦППК), г. Москва

Ключевые слова: нетканый материал, дренаж, самопроизвольное впитывание жидкости, испарительная установка
Keywords: non-woven fabric, drainage, spontaneous absorption of the liquid, evaporator

Интенсивное развитие дорожного и жилищного строительства определяет расширение ассортимента нетканых материалов, предназначенных для дренажа и очистки жидких сред от примесей, тепло- и гидроизоляции, прокладки транспортных магистралей, укрепления грунта по берегам водоемов и т.п. Нетканые полотна, применяемые в качестве фильтров при строительстве фундаментов зданий и гидротехнических сооружений, препятствуют вы­мыванию мелких частиц почвы и повышают механическую сопротивляемость грунта. В частности, одним из наиболее серьезных факторов, влияющих на изменение экологической среды (в т.ч. на урожайность угодий), является изменение режима подземных вод.

Самой распространенной и опасной считается водная эрозия, наносящая наибольший ущерб фондам почв, что выражается в разрушении плодородных слоев, смыве их талыми, дождевыми и грунтовыми водами. Следует отметить, что грунтовые воды, поднимаясь вверх, подтопляют поверхность почвы и при отсутствии хорошего естественного дренажа вызывают заболачивание и засоление грунта. Кроме того, во время весеннего таяния снега и обильных осенних дождей происходит большое скопление воды в тех местах населенных пунктов или автомагистралей, где недостаточно эффективно функционируют сточные трубопроводы. Подобное явление характерно для больших городов, расположенных на холмистой местности, например в Москве.

Одним из возможных вариантов удаления избыточной влаги из грунта, а также влаги, скопившейся на поверхности земли, может быть создание испарительных установок, основным функциональным элементом которых являются нетканые материалы. Предлагаемый процесс водоотвода складывается из двух частей: фильтрация жидкости в материале, расположенном горизонтально в грунте, и дальнейший самопроизвольный ее подъем в вертикальной испарительной части установки.

Конструктивно испарительная установка представляет собой установленный вертикально жесткий каркас, на котором закреплен водоотводящий нетканый материал, который соединяется с дренажным горизонтальным участком под землей, на глубине не более 0,5 м (рис. 1).

Соединение целесообразно производить в специальном колодце для удобного доступа к месту контакта в случае замены нетканого материала при его засорении частицами грунта, солями и т.п. Непрерывность отвода воды из грунта обеспечивается ее испарением с поверхности материала в атмосферу. Интенсивность испарения зависит от скорости самопроизвольного впитывания жидкости в вертикальной части материала (т.е. количество влаги, испарившейся с поверхности материала, должно быть не меньше количества воды, поступающей в единицу времени к поверхности испарения) и режима теплообмена с окружающей средой (воздухом).

Преимуществами такого способа удаления избыточной влаги являются:

– небольшая территория, занимаемая для размещения испарительных установок;

– минимальный (в случае необходимости) расход электроэнергии для интенсификации теплообмена между водоотводящим материалом и внешней подвижной средой (подразумевается вариант обдува испарительной колонны потоком воздуха, температура которого превышает температуру окружающей среды);

– возможность использования нетрадиционных источников энергии (например, ветряной двигатель и преобразователь электроэнергии в тепловую).

При проектировании водоотводящего нетканого материала необходимо:

– учитывать условия эксплуатации и различное функциональное назначение каждой из частей (которые можно условно подразделить на дренажную и испарительную), в связи с чем будут различны их свойства и физико-механические характеристики;

– применять гидрофобные волокна, т.к. гидрофильные увеличивают свой объем при впитывании воды, что может привести к образованию тупиковых пор и в целом к снижению интенсивности водоотвода и испарения вследствие застоя влаги в материале;

– вычислять и прогнозировать максимальную высоту самопроизвольного подъема жидкости в зависимости от плотности (пористости) нетканого материала.

Анализ волокнистого состава позволяет сделать вывод о том, что наилучшими гидрофобными свойствами обладают полипропиленовые, полиамидные, полиэфирные и полиакрилонитрильные волокна. Помимо этого, преимуществами полипропиленовых, полиэфирных и полиамидных волокон являются большая упругость и стойкость в химическом отношении (в отличие от полиакрилонитрильных, не обладающих высокой хемостойкостью). Из указанных видов волокон приоритет будут иметь полиэфирные. Они обладают большой светостойкостью, лучше переносят нагрев, и при этом прочность их снижается меньше, чем полиамидных волокон.

Выбор структурных элементов нетканого полотна позволяет перейти к следующему этапу проектирования водоотводящего материала – рассмотрению самопроизвольного подъема жидкости в вертикальной части установки.

Интенсивность самопроизвольного впитывания жидкости нетканым материалом изменяется во времени. Подъем осуществляется до тех пор, пока силу поверхностного натяжения не уравновесит сила давления столба поднятой жидкости. Причем скорость впитывания первоначально резко возрастает, а затем постепенно замедляется и через некоторый промежуток времени становится равной нулю, т.е. высота подъема жидкости (или количество удерживаемой материалом жидкости) достигает своего максимального значения, которое остается постоянным во времени при неизменных параметрах среды (например, атмосферы), в которой находится материал.

Принимая во внимание, что кинетика впитывания одинакова для нетканых полотен, выработанных различными способами и состоящих из различных видов волокон (мононитей), для аналитического описания процесса самопроизвольного впитывания в [1] получены следующие зависимости, подтвержденные экспериментальным путем:

– высота подъема жидкости от пористости материала:

;

– средняя скорость впитывания vср от максимальной высоты подъема жидкости h(ξ):

vср(h)=7,37439805·10-5·h0,21·(0,90294655·h0,34+1),

где h(ξ)– высота самопроизвольного впитывания жидкости, м; vср(h) – средняя скорость впитывания vср, м/с;

ξ – пористость нетканого полотна; g=9,81 – ускорение свободного падения, м/с²; ηж, ηВ – кинематические коэффициенты вязкости рассматриваемой жидкости и воды, соответственно, Па∙с;

В табл. 1 приведены результаты расчета высоты самопроизвольного подъема воды для различных значений пористости материалов, а также объема воды, который будет удерживать рулон нетканого полотна диаметром 1 м.

Таблица 1. Результаты расчета характеристик самопроизвольного подъема и удерживаемого объема воды при диаметре рулона 1 м для различных значений пористости материалов

Пористость ξ	Высота подъема жидкости h(ξ), м	Средняя скорость впитывания vср(h), м/с	Время поднятия воды на высоту h(ξ), ч	Объем воды, удерживаемый нетканым полотном, V=π·r2·h(ξ) ξ, м3
0,3	1,290	15,44·10-5	2,321	0,304
0,4	0,831	13,105·10-5	1,761	0,261
0,5	0,554	11,327·10-5	1,359	0,218
0,6	0,369	9,8348·10-5	1,044	0,175
0,7	0,238	8,4743·10-5	0,779	0,131
0,8	0,139	7,116·10-5	0,541	0,087
0,9	0,062	5,545·10-5	0,309	0,044

Данные табл. 1 позволяют судить о целесообразности применения для водоотвода низкопористых нетканых полотен. Из вырабатываемых в России можно рекомендовать «Геопласт» (АО «Термопласт») – прочный и не поддающийся гниению при нахождении в грунте материал, отличающийся высокой хемостойкостью, устойчивостью к термоокислительному старению. При изготовлении этих полотен используется только высококачественное полиэфирное волокно белорусских и российских производителей [2].

Обеспечение испарения воды с интенсивностью, соответствующей скорости самопроизвольного впитывания жидкости в материале, может потребовать некоторого количества теплоты, подводимой из окружающей среды к поверхности материала. При этом минимально необходимые затраты энергии определяются на основании уравнения баланса тепла, которое для испарительных процессов будет иметь вид:

q=J·qп,

где qп=2485 – скрытая теплота парообразования при tп=5°С, кДж/кг (рекомендуется принимать температуру поверхности материала tп, равную температуре мокрого термометра); J=ξ·ρ·vср(h) – количество жидкости, протекающей (испаряющейся) через единицу площади материала; ρ=0,99999 – плотность воды при температуре t=5°С, кг/м³.

Определение J и q производится в зависимости от средней скорости движения воды vср(h) и максимальной высоты самопроизвольного подъема жидкости. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты расчетов количества тепловой энергии для обеспечения испарения воды с интенсивностью, соответствующей скорости самопроизвольного впитывания воды, при диаметре рулона 1 м для различных значений пористости материалов

Пористость ξ	Высота подъема жидкости h(ξ), м	Средняя скорость впитывания vср(h), м/с	J, кг/(с·м2)	q, Вт/м2
0,3	1,290	15,44·10-5	4,632·10-5	0,115
0,4	0,831	13,105·10-5	5,242·10-5	0,130
0,5	0,554	11,327·10-5	5,663·10-5	0,141
0,6	0,369	9,8348·10-5	5,901·10-5	0,142
0,7	0,238	8,4743·10-5	5,932·10-5	0,147
0,8	0,139	7,116·10-5	5,693·10-5	0,141
0,9	0,062	5,545·10-5	4,9904·10-5	0,124

Как следует из табл. 2, затраты энергии на 1 м² поверхности нетканого материала при диаметре рулона 1 м крайне незначительны.

Полученные результаты с учетом ранее определенного волокнистого состава позволяют разработать техническое задание на изготовление нетканых материалов, предназначенных для отвода избыточной влаги из грунта.

Библиографический список

1. Трещалин Ю.М. Анализ структуры и свойств нетканых материалов (монография). – М.: Издательство «БОС», 2016, – 192 с.

2. Электронный ресурс. – Режим доступа: http://www.termoplast.infotecstt.ru/index.php