Лекция 8. Теоретические основы сушки (2 часа)

8.1. Влагосодержание материала

По классификации П. А. Ребиндера формы связи влаги с материалом делятся на три группы.

Химическая связь влаги с материалом является или результатом образования кристаллогидратов (влага входит в состав кристаллических решеток материалов) или химической реакции гидратации. Химически связанная влага при сушке не удаляется, для ее удаления необходимы более высокая температура и большое количество энергии, она может быть удалена при обжиге.

Физико-химическая связь может быть адсорбционной, осмотической и структурной.

При адсорбционной связи вода может входить в образованные при растворении сольватные оболочки или как пластификатор в межмицелярное пространство гидрофильных тел, способствуя их набуханию и образуя коллоидный раствор, а также удерживаться только молекулами внешних поверхностей гидрофобных тел. Осмотическая связь возникает при диффузии воды через стенки клеток и понижении концентрации растворов внутри клеток (например, набухание древесины). Структурная связь наблюдается в процессах гелеобразования (90...99 % воды и 1...10 % твердой фазы).

Физико-механическая связь существует при смачивании поверхности материала или конденсации влаги на нем в результате сорбции ее из воздуха. Сорбция – это поглощение водяного пара из воздуха и конденсация его в микрокапиллярах, радиус которых <0,1 мк, за счет пониженного капиллярного давления. В макрокапиллярах (радиус > 0,1 мк) давление пара над плоским мениском равно парциальному в окружающей среде, а заполнение микрокапилляров водой происходит при непосредственном увлажнении.

Строительные материалы в зависимости от вида связи влаги подразделяются на следующие типы:

1. капиллярно-пористые тела, - вода удерживается силами капиллярного давления, а удаление влаги происходит без существенного изменения первоначального объема;

2. коллоидные тела – материалы с осмотической и структурной связью воды;

3. коллоидно-капиллярно-пористые тела, присутствует как осмотическая, так и капиллярная вода; эти материалы при увлажнении набухают, а при высушивании уменьшаются в объеме.

8.2. Тепло- и массообмен в процессе сушки

Удаление влаги из материала происходит под влиянием двух процессов: взаимодействия материала с окружающей средой (внешний тепло- и массообмен) и внутреннего тепло- и массопереноса, т. е. диффузии влаги от центральных слоев к наружной поверхности.

Внешний тепло- и массообмен при сушке. Интенсивность влагоотдачи, кг/(м²ч), от поверхности материала в окружающую среду описывается уравнением (8.1).

q_п.в = ’(P_п.м.  _в) (8.1)

где ’ – коэффициент влагоотдачи, кгм²м²чПа); Р_п.м. – давление пара на поверхности материала (равно давлению насыщенного пара при температуре поверхности), Па; Р_в – парциальное давление пара в окружающей среде, Па.

Так как в сушильных установках преобладает конвективный теплообмен, то интенсивность потока теплоты к материалу, кДж/(м²ч), зависит от теплофизических характеристик и скорости движения сушильного агента, температуры и характера поверхности материала:

q   (8.2)

где  – коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к материалу, Вт/(м² • °С); t_c t_п– средние температуры соответственно сушильного агента и поверхности материала, °С.

Теоретический расчет тепло- и массообмена в каждом конкретном случае крайне затруднен. Поэтому для расчета применяют теорию подобия с использованием экспериментально полученных величин для геометрически и физически подобных структур, начальных состояний и условий взаимодействия материала с окружающей средой. При этом используют тепловые и массообменные критерии подобия.

Внутренний тепло- и массообмен. В процессе сушки изменяются температура и влагосодержание поверхности материала, вызывая в материале распространение теплоты (теплоперенос) и движение потоков влаги и воздуха (массоперенос). Тепло- и массоперенос в материале определяются градиентами температур, влагосодержаний и давлений.

Теплота, передаваемая к поверхности материала о помощью внешнего тепло- и массообмена, распространяется в материале за счет его теплопроводности. Однако при сушке этот процесс осложняется перемещением теплоты, которую несет передвигающийся в материале поток массы.