Глава XIII Теоретические основы процессов сушки

Глава XIII

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ СУШКИ

1. МАССОПЕРЕНОС В СИСТЕМАХ С ТВЕРДОЙ ФАЗОЙ

Наиболее емким с энергетической точки зрения технологическим процессом является термообработка. При термической обработке твердых тел важно не только определить условия перехода вещества из твердой фазы в газовую. Необходимо рассчитать кинетику массообменного процесса (т. е. скорость его протекания во времени), а также динамику и кинетику процесса массопереноса (т. е. определить, каким образом переносимый компонент распределяется в твердом теле и как его удаление повлияет на качество готового продукта).

Большинство строительных материалов представляют собой капиллярно-пористые тела, в которых влага содержится в виде жидкости, пара или льда (при отрицательной температуре). Массопередача между твердой фазой и жидкой (газовой или паровой) фазой складывается из двух процессов:

1.  Перемещение распределяемого вещества внутри пор твердого тела к поверхности раздела фаз (или от нее) вследствие внутренней массоотдачи, или массопроводности.

2.  Перенос того же вещества в жидкости (газе или паре) путем внешней массоотдачи.

Кроме того, перенос влаги как жидкой, так и парообразной может происходить вследствие разности температур в разных точках материала. Такой перенос называется термодиффузией.

Технологические свойства влажных материалов определяются формами связи содержащейся в них воды. предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая и физико-механическая. Химически связанная влага наиболее прочно соединена с материалом и может быть удалена только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химических реакций.

В более широком смысле влагу материала классифицируют на свободную и связанную. Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности.

Для получения качественного строительного материала необходимо по возможности уменьшить количество свободной воды. После испарения свободной воды из затвердевшего строительного раствора или бетона поры остаются открытыми. Такие открытые поры достаточно большого диаметра и при заполнении их водой являются причиной снижения морозостойкости строительного материала.

В процессах термической обработки строительных материалов и изделий происходят и фазовые превращения влаги. Под действием высоких температур в порах материала происходит парообразование, под действием отрицательных температур влага в капиллярах может замерзать.

Перенос влаги в капиллярно-пористом теле происходит в направлении от высшего потенциала к низшему. Плотность потока влаги будет прямо пропорциональна градиенту потенциала массопереноса:

, (13.1)

где — коэффициент влагопроводности (аналог коэффициента молекулярной

диффузии), м2/с;

— плотность сухого тела, кг/м3.

Коэффициент влагопроводности зависит от структуры твердого тела, влажности и температуры. Поэтому в процессе сушки его значение существенно изменяется.

Система дифференциальных уравнений взаимосвязанного тепломассопереноса впервые была получена [6-8]:

. (13.2)

Здесь e — критерий фазового превращения (e = 0 ¸ 1). Он показывает, какая доля влаги продвигается в высушиваемом теле в виде пара.

Если e = 1, то в материале нет влаги в виде жидкости, вся влага переносится в виде пара.

Если e = 0, то в материале нет пара, влага переносится в виде жидкости;

dт — коэффициент термодиффузии, 1/К.

r* — теплота парообразования для жидкости, Дж/кг.

При высоких интенсивностях термообработки эта система дополняется уравнением баропереноса:

. (13.3)

Целью расчетов процессов с твердой фазой является определение динамики (изменения) полей влагосодержания и температур, расчет кинетики процессов, т. е. изменения средней по объему материала влажности и температуры; определение необходимого количества энергозатрат и габаритных размеров оборудования для проведения процесса.

2. КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ СУШКИ

Сушкой называют термический процесс удаления влаги из твердых материалов путем ее испарения [10, 13]. Удаление влаги осуществляют в сушильных установках в результате теплообмена материала с горячим воздухом или горячей газовоздушной смесью. Процесс сушки сопровождается изменением объема высушиваемого материала, которое называется усадкой. В результате усадки материал деформируется, возможны коробление и растрескивание изделий. В процессе сушки из материала удаляют влагу, физико-механически и физико-химически связанную с ним. В результате нарушаются связи смачивания, капиллярные, структурные, осмотические и адсорбционные.

Любой влажный материал в процессе сушки рассматривают как систему, состоящую из сухого материала и воды. Под сухим материалом понимают (для процессов сушки) абсолютно сухой материал вместе с химически связанной влагой. По отношению к окружающей среде различают три состояния материла:

1)  влажное (парциальное давление водяных паров на поверхности материала выше, чем парциальное давление водяных паров в окружающей среде, в этом случае материал отдает влагу);

2)  равновесное (равенство парциальных давлений на поверхности и в окружающей среде);

3)  гигроскопическое (материал сорбирует влагу из окружающей среды и постепенно переходит в равновесное состояние).

Поэтому, чтобы не расходовать излишне топливо, необходимо знать время наступления равновесного состояния в конкретных случаях и уметь определять его.

Чтобы получить представление о влажном состоянии материала и его взаимодействии с окружающей средой, рассмотрим неограниченную пластину из влажного материала (рис. 13.1). По оси х отложена ширина пластины 2δ, а по оси у — влагосодержание. В начальный момент времени τ0 влагосодержание пластины постоянно по всему

Uр

поперечному сечению пластины, т. е. градиент потенциала переноса влаги в пластине в начальный момент времени отсутствует. Пластину помещают в условия, в которых парциальное давление водяных паров меньше, чем на поверхности материала. С поверхностей пластины начинается испарение влаги W. Испарение влаги с поверхностей сопровождается уменьшением их влагосодержания. Появляется перепад влагосодержаний между центром и поверхностями , показанный на рис. 13.1. Поэтому к моменту времени τ1 влага в материале распределится по параболе . Возникший перепад влагосодержаний влечет за собой образование градиента потенциала переноса влаги , который заставляет влагу продвигаться к поверхности. Так как скорость испарения выше скорости диффузии влаги к поверхности, то, как при хранении, так и при сушке, обязательно возникает больший или меньший перепад влагосодержаний.

Изменение среднего влагосодержания материала во времени выражают графически. Этот график называют кривой сушки (рис. 13.2). На графике представлена характерная для капиллярно-пористого коллоидного материала кривая сушки (1) и кривая, характеризующая температуру материала в процессе сушки (2). Пунктиром обозначены: поддерживаемая постоянной температура сушильного агента по сухому tс и мокрому tм термометрам.

Материал со средним влагосодержанием U0 и температурой t0 помещается в установку, через которую проходит сушильный агент с tс > t0. Материал начинает отдавать влагу, сушильный агент насыщается ею и удаляется из установки. Количество влаги, удаляемое в единицу времени из материала, начинает возрастать и в точке а достигает максимума. Одновременно температура материала повышается от t0 до tм, и поверхность материала достигает точки росы – температуры сушильного агента по мокрому термометру. Это период прогрева. Он очень кратковременный. От точки а влагосодержание начинает уменьшаться с одинаковой скоростью до точки б. При этом температура поверхности материала не меняется, что объясняется испарением влаги с поверхности, а такой процесс идет с расходом теплоты на парообразование. Это период постоянной скорости сушки, называемый также первым периодом. В этот период температура в центре материала постепенно повышается до температуры поверхности. Точка б соответствует критическому влагосодержанию материала (состояние материала, когда заканчивается его усадка). От точки б до конечного влагосодержания Uк, которое характерно для выгружаемого материала, процесс удаления влаги замедляется, и кривая асимптотически приближается к равновесному влагосодержанию. Это период падающей скорости сушки, называемый также вторым периодом. Одновременно начинает резко возрастать температура поверхности материала, которая асимптотически приближается к температуре сушильного агента по сухому термометру. Центр материала за счет теплопроводности также начинает прогреваться.

К этому времени общее влагосодержание материала уменьшается, влага к поверхности для испарения подается медленно, поверхность испарения «передвигается» внутрь материала. Пар образуется уже не на поверхности, а в глубине материала. Поэтому из-за отсутствия испарения на поверхности ее температура начинает резко возрастать.

Материалам с различным характером связи влаги соответствуют и свои кривые сушки, однако общий характер кривой присущ всем коллоидно-капиллярно-пористым материалам, к каким относятся строительные изделия.

Процессы тепло - и массообмена при сушке впервые были исследованы и описаны , , и получили широкое развитие в трудах , , и др.