Тема 8.1. Основы теории сушки

Основы термодинамики и теплотехники

Гр.ПТН-0-18

 

Конспект лекции

Тема 8.1. Основы теории сушки

 

I. Общие понятия

 

Процесс обезвоживания материала за счет испарения влаги и отвода её паров называется сушкой. Все тела обладают способностью поглощать влагу, отдавать влагу и интенсивно удерживать влагу. Количество влаги в теле меняется в значительных пределах в зависимости от условий.

Сушка наряду с обжигом является наиболее продолжительным и ответственным процессом во многих отраслях производства строительных материалов, которые относятся к тугоплавким неметаллическим материалам.

Современная теория и практика процессов сушки базируется на фундаментальных исследованиях, выполненных в 1932-1935 гг. Алексеем Васильевичем Лыковым.

В основе этой теории лежит интенсивность связи влаги с материалами. Им вскрыты основные механизмы сушки:

1) за счет градиента влажности (явления влагопроводности) или концентрационная диффузия;

2) за счет градиента температуры (явления термовлагопроводности) или термическая диффузия.

Концентрационная диффузия – перенос массы происходит в системе, в различных точках которой температура и давление одинаковы, а концентрации компонентов различны (потенциал переноса – разность концентраций). Описывается 1-ым законом Фика (аналог закона Фурье – о теплопроводности материала).

В виду большой сложности процессов термической диффузии она рассматривается в учебных циклах высшего образования. В дальнейшем мы сосредоточим свое внимание на концентрационной диффузии, т.е. движение (перемещение) влаги внутри материала за счет градиента влажности или влагосодержания.

Градиент влагосодержания – отношение разности влагосодержания к толщине изделия, он обеспечивает поступление влаги из внутренних слоев материала к поверхностным, благодаря чему поверхность материала не пересыхает.

Это явление носит название внутренней диффузии.

Чтобы двигаться дальше в процессе познания основ сушки, рассмотрим типы материалов, которые в практике подлежат сушке.

 

II. Классификация материалов по способу удержания влаги

 

По физическим свойствам влажные материалы могут быть разделены на три основных вида:

1) коллоидные тела,

2) капиллярно-пористые,

3) капиллярно – пористые коллоидные тела.

Капиллярно-пористые материалы при сушке практически не меняют свои размеры.

Коллоидные материалы при изменении содержания в них влаги изменяют геометрические размеры, но сохраняют эластичные свойства (желатин, мучное тесто).

Капиллярно-пористые коллоидные материалы имеют капиллярно-пористую структуру, но стенки капилляров эластичны, способны к набуханию при обезвоживании. Большинство влажны х материалов относится к третьей группе (торф, ткани, древесина и др.).

    При сушке влага из внутренних слоев влажного материала передвигается к поверхности, а затем испаряется в окружающую среду. На преодоление сил сцепления молекул влаги друг с другом и со скелетом материала требуются затраты энергии, поэтому скорость процессов переноса зависит от форм связи влаги с материалом. По классификации П.А. Ребиндера энергия связи влаги с материалом наибольшая при химической форме связи, менее прочной является физико-химическая связь, а наименьшая - при физико – механической связи.

    Химическая связь - в точных количественных соотношениях, может быть разрушена при химических реакциях или при прокаливании.

 

III. О формах связи влаги с материалом.

 

1. Химическая связь - наиболее прочная связь с материалом. Влага входит в состав кристаллических решеток материала или молекул вещества. При сушке не удаляется, т.к. её удаление изменяет свойства материала (вещества). Например, при разрушении глинообразующего материала КАОЛИНИТА Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O глина теряет свою пластичность, при удалении химически связанной влаги из гипсовых изделий, состоящих из CaSO₄ 2H₂O, гипс теряет свою прочность.

2. Физико - химическая связь - осуществляется адсорбционными и осмотическими силами, обладают средней интенсивностью связи с материалами.

Физико - химическая связь различается на:

- адсорбционная влага;

- осмотическая влага;

- структурная влага.

 

Адсорбционная влага – основана на молекулярном взаимодействии материала с влагой. Удерживается молекулярным силовым полем на внешней и внутренней активной поверхности пор, пустот, капилляров, стенках клеток и т.д. тело увеличивает свой объем, но он меньше первичных объемов тела.

Осмотическая влага – проникает внутрь замкнутых клеток через стенку клетки.

Структурная влага – это внутриклеточная жидкость, захваченная при образовании структуры геля.

Процессы сорбции и десорбции, как играющие важнейшую роль в процессе сушки рассмотрим чуть дальше, а сейчас продолжим разбираться с состоянием влажного материала (вещества).

3. Физико - механическая связь - это влага, находящаяся в микро- и макрокапиллярах, крупных порах и пустотах, и влага смачивания. Эта влага удерживается в материале чисто механически, наименее прочно связана с материалом и подвижна под действием сил тяжести. Она может быть удалена (частично) как механическим путем – давлением и центрифугированием, так и испарением.

 

IV. Классификация влаги в материале с точки зрения процесса суши

 

По состоянию в материале различают влагу свободную и связанную (рис.1).

Свободная – это влага макрокапилляров, крупных пор и пустот, осмотическая, структурная, смачивания.

Связанная – это влага микрокапиллярная и адсорбционная. Она более прочно связана с материалом.

 Рис.1