Перемещение влаги внутри материала и от материала к сушильному агенту

Основы термодинамики и теплотехники

Гр.ПТН-0-18

 

Конспект лекции

Тема 8.2. Основы теории сушки – часть II.

Аннотация: Кривые сорбции и их значение в процессе сушки изделий и материалов. Физическая сущность внутренней и внешней диффузии влаги в материале.

    Кривые сушки и кривые скорости сушки. Периоды сушки, совмещенный график сушки. Режимы сушки: оптимальный, мягкий и резкий режимы. Пороки, возникающие в изделиях при сушке, причины их образования.

 

I. Кривые сорбции влаги. Изотерма сорбции. Внутренняя и внешняя диффузия влаги в материале.

 

Если парциальное давление водяных паров у поверхности материала больше, чем в окружающем, воздухе, материал отдает влагу воздуху. Если парциальное давление водяных паров у поверхности материала меньше, чем в окружающем, воздухе, материал сорбирует влагу из воздуха.

Если над влажным материалом находится влажный воздух, то со временем установится равновесие и обмен влагой прекратится. Влажность материала в этом состоянии называется равновесной (Wp). Она является функцией парциального давления водяного пара в окружающей среде и заданной температуры.

Совокупность значений равновесной влажности при различных парциальных давлениях пара в воздухе или относительной его влажности называют изотермой сорбции влаги.

Изотерма сорбции – это не что иное, как кривая равновесной влажности. Состояние материала с точки зрения процесса сушки наглядно представлено на рис.1.

 

Перемещение влаги внутри материала и от материала к сушильному агенту

 

Всякий пористый материал пронизан капиллярами, выходящими своими окончаниями к его поверхности, с которой и происходит испарение влаги, если парциальное давление пара в окружающей среде ниже, чем на поверхности материала. Влага из материала переходит в окружающую среду – воздух или газ в виде пара.

В капиллярах влага образует вогнутые мениски и удерживается силами поверхностного натяжения. По мере удаления влаги из поверхностных слоев материала  между  внутренними  и  наружными слоями возникает перепад

 

Рис.1 Состояние материала с точки зрения сушки

 

влагосодержания. Отношение влагосодержания к толщине изделия называют градиентом влагосодержания. С увеличением его увеличивается поступление влаги из внутренних слоев к поверхностным, благодаря чему поверхность материала не пересыхает. Это явление носит название внутренней диффузии влаги.

    Переход влаги в виде пара с поверхности материала в окружающий воздух называют внешней диффузией влаги.

    При удалении свободной влаги некоторые материалы,  в том числе и глина, уменьшаются в объеме- дают усадку. Явление усадки объясняют тем, что по мере освобождения капилляров от влаги начинают возрастать силы поверхностного натяжения, стягивающие стенки капилляров до их сближения, что и вызывает сокращение материала в объёме. При соприкосновении поверхностей капиллярных сосудов между частицами материала возникают силы трения. Усадка заканчивается, когда силы трения превзойдут силы поверхностного натяжения.

    Сушка может происходить только при условии подвода тепла, необходимого для испарения влаги, и при наличии разницы давлений паров воды на поверхности испарения и паров воды теплоносителя. Чем больше эта разница, тем быстрее скорость испарения.

    Теплоноситель поглощает влагу из материала до тех пор, пока парциальные давления его паров и паров на поверхности испарения не сравняются.

II. Кривые сушки и кривые скорости сушки. Совмещенный график сушки.

 

Скорость сушки: - изменение влажности материала во времени называется скоростью сушки, т.е. скорость сушки - это количество влаги, удаленной из материала в единицу времени с 1м² поверхности испарения:

 

υ ср =  , кг/м²_*ч

где  - количество испаренной влаги, кг

     - поверхность испарения, м²

     - период времени,ч

Скорость сушки регулируется теплофизическими свойствами сушильного агента (относительная влажность, t) и воздействием на сам материал: пароподогрев, последний увеличивает скорость внутренней диффузии.

Это происходит из-за понижения, вязкости влаги в капиллярах, что способствует быстрому её передвижению к поверхности материала.

    Весь цикл сушки принято делить на отдельные периоды, протекающие с разной скоростью. К первому относят период прогрева, протекающий без удаления влаги. Так как скорость сушки определяется формой связи влаги с материалом, то во втором периоде из материала удаляется влага, имеющая с ним непрочную связь, т.е. физико – механическую. В последний период происходит удаление влаги, связанной с материалом физико – химически. По характеру скорости удаления влаги называют: первый – периодом прогрева, второй – периодом постоянной скорости сушки, третий – периодом падающей скорости сушки (рис.2).

    По истечении периода прогрева достигают равномерной во всех слоях изделия температуры. Этот период особенно необходим для массивных изделий, сформованных из неподогретой формовочной массы. Если изделия поступают на сушку подогретыми, то необходимость в периоде прогрева отпадает, но температура в начальный период сушки не должна быть ниже температуры самих изделий во избежание их остывания. Наиболее опасным для качества изделия является второй период постоянной скорости сушки, когда удаляется свободная влага и изделие дает усадку. Как уже указывалось, неравномерность её приводит к появлению трещин.

    Испарение влаги происходит с поверхности изделия, которая в течение этого периода сушки остается влажной, питаясь влагой, поступающей по капиллярам из внутренних слоев. Температура материала также остается постоянной ввиду существующего теплового равновесия между количеством теплоты, воспринимаемой материалом и отданной на испарение влаги. Температура поверхности приближается к температуре мокрого термометра. Парциальное давление пара у поверхности равно парциальному давлению насыщенного водяного пара при температуре мокрого термометра. По окончанию усадки влажность материала достигает так называемого критического значения (точка критической влажности К ), после чего начинается период падающей скорости сушки. Непрерывное падение скорости сушки объясняют снижением парциального давления водяного пара на поверхности материала из-за понижения его влажности. Так как при этом уменьшается и расход теплоты на испарение влаги, температура материала начинает возрастать. Когда влажность материала достигает равновесной с окружающей средой, сушку прекращают. Процесс полного удаления влаги осуществляют в печи при обжиге изделий.

    Отдельные периоды сушки наглядно изображают графически кривой влагоотдачи.

 

 

 

Рис.2 Совмещенный график сушки.

 

I – Кривая влагоотдачи, % 

II – скорость сушки, кг/(м²_*ч)

III – кривая температуры высушиваемого материала, К  

К – точка критической влажности материала

Критической влажностью называется влажность, которую имеет сушильный материал в момент прекращения усадки.

 

 

III. Режимы сушки.

 

Режим сушки – это комплекс мероприятий, предусматривающий минимальное время, необходимое для сушки изделий с учетом их свойств, формы, размеров и особенностей сушильных устройств, а также рациональный подвод теплоты к высушенному изделию с минимальными потерями теплоты и изделий. Процесс сушки характеризуется тремя периодами: подогрева, постоянной и подающей скорости сушки (рис.2), за которыми следует период равновесного состояния.

Для каждого материала или изделия необходимо создавать индивидуальный режим сушки, характеризуемый оптимальными для данного материала параметрами теплоносителя – температурой, влажностью, скоростью движения. Управление режимом сушки состоит в регулировании скорости влагоотдачи изменением параметров сушильного агента по отдельным периодам сушки.

При управлении режимом сушки необходимо обеспечить не только регулирование параметров сушильного агента, но и расхода теплоты для отдельных периодов сушки. Для каждого материала или изделия опытным путем устанавливают наиболее рациональный режим сушки.

Оптимальным режимом сушки называют совокупность внешних условий, характеризуемых оптимальными значениями основных параметров сушильного агента – его температуры, относительной влажности, скорости движения в отдельные периоды сушки, обеспечивающих сушку в наиболее короткий срок при получении хорошего качества продукта. По продолжительности цикла сушки и параметрам теплоносителя различают мягкий и резкий режимы сушки.

    Мягкий режим характеризуется большой длительностью при сравнительно невысоких температуре и скорости движения сушильного агента с повышенной относительной влажностью. Типичным примером мягкого режима сушки служит естественная сушка кирпича в сушильных сараях. При мягком режиме сушат большинство керамических изделий, изготовленных из пластичных глин.

В противоположность ему резкий режим сушки отличается короткими сроками, повышенными температурой и скоростью движения теплоносителя и малой его влажностью. При резком режиме сушат большинство кусковых, порошкообразных материалов, суспензий, изделия строительной керамики полусухого и сухого прессования – кирпич, керамическую плитку и др.

 

IV. Анализ сушки кирпича -сырца и керамических камней.

 

Кирпич-сырец и керамические камни, изготовленные пластическим прессованием содержат влагу, которая должна быть удалена, чтобы придать им механическую прочность и подготовить к обжигу.

    Основные факторы процесса сушки: скорость перемещения влаги внутри материала, скорость влагоотдачи с поверхности материала в окружающую среду и усадочные напряжения.

    Процесс сушки делится на три периода: нагрева изделий, постоянной скорости сушки и замедленной скорости сушки. В период нагрева тепло, подводимое к материалу теплоносителем, расходуется на подогрев изделия от начальной температуры до температуры теплоносителя. Влажность изделий за этот период уменьшается незначительно.

    В первый период сушки удаление влаги происходит с постоянной интенсивностью.

    Этот период характеризуется примерно постоянным уменьшением массы изделий в единицу времени, т.е. количества влаги, испаряемой с единицы поверхности высушиваемого изделия.

    В период замедленной скорости сушки постепенно уменьшается влажность изделия до минимального остаточного количества. После этого сушка изделий прекращается. Этот период характеризуется непрерывным снижением скорости сушки и сопровождается снижением величины усадки изделий, которая чаще всего прекращается до окончания этого периода.

    Влажность, которую имеет масса изделия в момент прекращения усадки, называется критической.

 

    Конец третьего периода характеризуется равновесной влажностью, т.е. влажностью, при которой изделие прекращает уменьшаться в массе и скорость сушки равна нулю. Равновесная влажность высушиваемого материала зависит от относительной влажности и температуры теплоносителя. Чем меньше относительная влажность теплоносителя и выше его температура, тем меньше равновесная влажность высушиваемого изделия.

    Равновесная влага (а также и химически связанная) удаляется из материала только в процессе обжига.

 

V. Пороки и причины их возникновения.

 

Скорость сушки в разных частях материала неодинакова. При сушке формованных изделий быстрее сохнут углы и поверхность изделия, если скорость внутренней диффузии меньше, чем внешней. В результате неравномерной усадки в разных частях изделия, вызванной разной скоростью сушки, в материале могут возникать напряжения, приводящие к появлению трещин.

    По виду и месту образования трещин в глиняном изделии (краевых, плоскостных, срединных, тотальных, приводящих к полному разрушению изделия, или волосяных) можно, выявив их возникновение, устранить её тем или иным способом.

    Для уменьшения возможности образования трещин скорость продвижения влаги от внутренних слоев изделия к наружным должна соответствовать скорости испарения с поверхности изделия. При этих условиях влажность кирпича – сырца по всей толщине выравнивается и воздействие напряжений уменьшается или устраняется.

    Увеличение скорости капиллярного движения воды в основном зависит от её вязкости, которая понижается с увеличением температуры воды. Вода при температуре 60°C характеризуется вязкостью, которая на 25% меньше, чем при температуре 0°C.

Практически нагрев глиняной массы до указанной температуры или несколько ниже достигают пароувлажнением. Чтобы ускорить сушку, особенно в начальный период, применяют паропрогрев глиняной массы перед прессованием до 40-50 °C. Путем повышения темперытуры бруса увеличивают влагопроводность кирпича – сырца в два и более раза, так как вязкость воды в кирпиче – сырце значительно уменьшается и усиливается внутренняя диффузия.

Однако возможности прогрева глиняной массы ограничиваются указанными пределами температуры (40-50 °C). При более высокой температуре паропрогрева у большинства суглинков, применяемых для производства кирпича, резко снижается связность массы.

При сушке изделии стремятся создать оптимальный режим, т.е. режим, при котором получают качественные изделия без трещин в минимальные сроки и при возможно меньших затратах тепла и электроэнергии.