книги из ГПНТБ / Перегудов, В. В. Тепловые процессы и установки технологии полимерных строительных материалов и изделий учебник

переохлаждения. Ниже приводятся таблицы для выбора конденсатоотводчиков типа «Рапид» и Главармалита (табл. 4 и 5).

На рис. 34 приведена схема установки конденсатоотводчика на системе отбора конденсата из автоклава.

Г л а в а V

ОБРАБОТКА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗА СЧЕТ ВНЕШНЕГО ОБОГРЕВА

Рассмотрим теоретические основы тепловой обработки за счет внешних 'источников тепла. В этом случае материал механическо­ му воздействию не подвергается. Единственной энергией, которую прикладывают к нему во время обработки, является тепловая. При­ мерами такой обработки полимерных композиций являются сушка, сушка, осложненная процессами полимеризации или поликонден­ сации, и тепловлажностная обработка.

Во всех этих процессах материал загружается на специальное устройство и находится или транспортируется по установке. В ус­ тановку подается теплоноситель, который воздействует на мате­ риал. Между материалом и теплоносителем происходит сложный процесс тепло- и массообмена. После обработки* материал выгружа­ ют из установки.

Процесс тепло- и массообмена между теплоносителем и мате­ риалом сопровождается различными физико-химическими превра­ щениями.

В данной главе излагаются основные теоретические положения тепло- и массообмена между теплоносителем и материалом, а так­ же разбираются физико-химические превращения, сопровождаю­ щие тепло- и массообменные процессы. Эти процессы делят на внешние и внутренние. Под внешними понимают процесс обмена

А.Теоретические основы процессов сушки

§1. Сущность и значение процессов сушки

•Сушкой называют процесс удаления влаги из материала. Для этого необходимо и достаточно, чтобы парциальное давление водя­ ных паров на поверхности материала было больше, чем парциаль­ ное'давление водяных паров в окружающей среде.

Впроизводстве строительных изделий и конструкций с приме­

нением пластических масс широко применяется сушка древесных _ стружек и шпона, бумопластиков, пенопластов, мипоры и ряда дру­

гих материалов.

В процессе сушки, чтобы повысить экономическую эффектив­ ность и скорость процесса, сушильный агент подогревают, при этом его относительная влажность, как будет рассмотрено ниже, сни­ жается и он приобретает большую ассимилирующую способность по влаге.

При использовании нагретого сушильного агента процесс отбо­ ра влаги от материала сопровождается более интенсивной переда­ чей тепла. Поэтому, анилизируя процесс сушки, приходится рас­ сматривать сложное явление тепло- и массообмена.

91

Сушку материалов можно проводить естественным и искусст­ венным путями.

Естественная сушка как исключительно длительная и экономи­ чески нецелесообразная в промышленности производства стро­ ительных изделий с применением пластмасс не применяется и по­ тому в настоящем курсе не рассматривается.

Искусственная сушка, сущность которой изложена ниже, произ­ водится в специальных установках— сушилках.

В сушила поступают влажный материал и сушильный агент, ' который отбирает влагу от материала, после чего принудительно удаляется. Место удаленного, насыщенного влагой сушильного агента непрерывно занимает свежий.

Применение искусственной сушки за последние годы в промыш­ ленности получило очень большое распространение.

Процесс сушки является не только теплотехническим, но в пер­ вую очередь технологическим процессом. Режим сушки всегда Дол­ жен определяться свойствами материала и закономерностями их изменения при удалении влаги и воздействии тепла.

Свойства материала в большой степени зависят от количества и формы связи влаги с сухим веществом материала. Поэт-ому

§ 2. Формы связи влаги с материалом

Для удаления влаги из материала надо нарушить связь ее с сухим веществом, затратить на это определенную энергию.

Энергетическая классификация форм связи влаги с материалом предложена акад. П. А. Ребиндером и является в настоящее время общепринятой.

По этой классификации различают в порядке уменьшения за­ трачиваемой энергии на разрыв три формы связи влаги с материа­ лом: химическую, физико-химическую и физико-механическую.

Химически связанная влага входит в состав молекул, образуя кристаллическую решетку вещества. К химически связанной влаге относят также и молекулярно связанную влагу. Эта влага при сушке не удаляется..

Физико-химическая связь удерживает в материале адсорбцион­ ную и осмотически связанную влагу.

Физико-механическая связь удерживает микро- и макрокапиллярную, структурную влагу и влагу смачивания.

Для наглядности формы связи влаги с материалом сведены в табл. 6.

Таким образом, из анализа сушильных процессов следует, что наибольшую энергию необходимо приложить при удалении адсорбционно связанной влаги.

92

Т а б л и ц а 6

Формы связи влаги с материалом

Взависимости от видов связи влаги материалы делят на капил­ лярно-пористые, коллоидные и коллоидно-капиллярно-пористые.

Вкапиллярно-пористых влага удерживается силами капилляр­ ного давления; примером могут служить различные поропласты,

минераловатные изделия « а полимерных связующих. Эти материа­ лы высушиваются без "существенных изменений первоначального объема.

В коллоидных преобладает влага, связанная осмотически или структурно. При удалении влаги эти материалы претерпевают зна­ чительную усадку, сохраняя свои эластические свойства.

Третьи содержат осмотически и капиллярно связанную влагу. Они 'называются капиллярно-пористыми коллоидными телами. Стенки капилляров этих тел эластичны и при поглощении жидко­ сти набухают. К числу таких можно отнести бумагу, мел, древе­ сину и др.

•S3

§3. Влажное состояние материала в процессе сушки

Впроцессе сушки, как ранее уже упоминалось, удаляется толь­ ко физико-химически и фнзико-механически связанная влага с ма­ териалом. Поэтому сырой материал рассматривают как систему, состоящую из абсолютно сухого материала (под этим термином нанимают абсолютно сухой материал вместе с химически связан­ ной влагой) и воды. Таким образом, вес сырого материала можно представить в виде

три состояния: влажное, при котором материал отдает влагу окру­ жающей среде; равновесное, при котором влагообмен между мате­ риалом и средой отсутствует, и гигроскопическое, при котором ма­ териал забирает влагу из окружающей атмосферы. Для представ­ ления о состоянии влажного тела, находящегося в окружающей среде, рассмотрим неограниченную пластину, вырезанную из свежесформованного материала. На рис. 35 показана такая пластина, по оси X отложена ее ширина, по оси Y — влагосодержанне U. Толщина пластины бесконечно мала 6i->0. Начальное влагосодер­ жанне материала пластины UB после формовки по условию во всем сечении одинаковой показано на рис. 35 пунктиром.

Допустим, парциальное давление водяных паров на поверхно­ сти свежесформованной пластины превышает парциальное давле­ ние водяных паров в окружающей среде. В этом случае с поверх­ ности пластины начинает испаряться влага и влагосодержанне на поверхности снижается. Через некоторый промежуток времени вла­ госодержанне материала пластины V по сечению станет различ­ ным и, как показывают исследования, кривая влагосодержания примет вид параболы. Такая парабола, отражающая распределе­ ние влаги в материале пластины, показана на рис. 35.. В реальном материале при его хранении в окружающей среде тоже возникнет перепад влагосодержания, только сложнее, так как в этом случае надо рассматривать трехмерное пространство.

Возьмем другой случай — материал сухой хранится в атмос­ ферных условиях парциальное давление водяных паров на поверх­ ности материала меньше, чем в окружающей среде. В этом случае материал за счет своих гигроскопических свойств начинает увлаж­ няться, набирать влагу из воздуха.

94

Отсюда можно сделать очень важный вывод о"существовании какого-то среднего состояния — равновесной влажности.

Равновесной влаоюностыо называют такую, при которой пар­ циальное'давление водяных паров на поверхности материала и в окружающей среде равно,' и поэтому массообмен (влагообмен) между материалом и средой в этих условиях отсутствует.

Для исследования влажного состояния материала последний помещают в воздушную среду с определенной температурой и от­ носительной влажностью. После установления равновесного состоя­ ния определяют влагосодержанне материала. Изменяя температу­ ру и влагосодержанне среды, получают ряд точек, характеризую-

строят кривые сорбции (десорбции) влажного материала. Эти кри­

проводить процесс сушки. Например, если материал после сушки

95

зать, что при хранении он увеличит свое влагосодёржание за счет сорбции влаги из среды до 0,1 кг/кг.

Если подвергнуть материал воздействию нагретого воздуха или газа, то с поверхности материала влага начнет испаряться. Внутри материала начнется движение влаги к поверхности испарения. Об­ щее влагосодёржание материала начнет уменьшаться пропорцио­ нально времени сушки.

Графическую зависимость изменения влагосодержания мате­ риала от времени при сушке принято называть кривой сушки.

Для большинстваматериалов кривые сушки имеют аналогич­ ный характер. Такая характерная кривая для постоянного темпе­ ратурного режима сушки приведена на рис. 37.

t сушки г', г"

Время сушки- —»—

Рис. 37. Изменение влагосодержания и температуры тела

впроцессе сушки

Вначальный период сушки '(рис. 37, кривая / от точки а до точ­ ки б) уменьшение влагосодержания идет медленно, кривая сушки на этом участке обращена выпуклостью вверх. В этот небольшой промежуток времени температура материала увеличивается (кри­ вые 2 и 3). Этот период носит название периода прогрева мате­ риала. Кривая 2 отражает температуру поверхности, а кривая 3 — температуру центральных слоев материала. После периода прогре­ ва материала влагосодёржание его начинает уменьшаться по ли­ нейному закону до точки в (кривая 1).

Кривая сушки на участке бв имеет вид прямой, уменьшение влагосодержания в единицу времени будет величиной постоянной.

Температура поверхности материала в этом интервале остается постоянной и равна температуре адиабатического насыщения воз­ духа-— температуре мокрого термометра. Температура в централь­ ных слоях материала продолжает повышаться, и достигает темпе­ ратуры мокрого термометра позже, (кривая 3, точка т).-.

С этого периода от точки т перепад температуры между тем­ пературой сушильного агента и температурой материала до точки

96

b(b', b") будет постоянным и, следовательно, все тепло, которое передается от сушильного агента к материалу (теплообмен в этот период также постоянен), затрачивается на испарение влаги.

Этот период носит название периода постоянной скорости сушки.

Начиная с точки в, прямолинейный участок кривой сушки пере­ ходит в криволинейный, количество отбираемой влаги в единицу времени уменьшается. С этого же момента начинает повышаться температура материала, причем температура центральных обла­ стей материала по условиям теплообмена отстает от температуры поверхности.

Рис. 38. Кривая скорости сушки -

Внутри материала, так же как и в период прогрева, возникает температурный градиент, который уменьшается по мере приближе­

Чаще в практике сушки первый период (период прогрева материа­ ла) ввиду его небольшой продолжительности не упоминают, гово­ ря, что сушка складывается из двух периодов: периода постоянной и периода падающей скоростей сушки.

Влагосодёржание материала, которое соответствует переходу к периоду падающей скорости сушки, называют критическим £/„.-

Кривые сушки недостаточно полно характеризуют динамику су­ шильного процесса. Поэтому для более качественного анализа динамики процесса строят кривые скорости сушки, которые отобра­ жают графическую зависимость между скоростью сушки и влагосодержанием материала. Кривую скорости сушки получают мето­ дом графического дифференцирования кривой сушки. Для этого кривую сушки разбивают на ряд участков, "в точках деления к ней приводят касательные и вычисляют тангенс угла наклона касатель-

• ной к кривой сушки для каждого участка.

Такая кривая скорости сушки приведена на рис. 38, она начи­ нается в точке а (0). Когда материал помещают в сушилку, ско­ рость сушки в первый период (период прогрева материала) возра-

стает по кривой аб. Далее на участке бв наблюдается процесс сушки с постоянной скоростью. В точке в скорость сушки начинает уменьшаться (период падающей скорости) до точки г, где сушка прекращается, а материал достигает равновесной влажности с су­ шильным агентом.

§4. Усадочные явления и деформации

впроцессе сушки

По мере удаления влаги в процессе сушки материал уменьшает,

виях (период постоянной скорости сушки) подвергают сушке одно­

98

кой направлениям. Температурное поле пластины в начальный мо­ мент постоянное и равно tM(At=0).

Через некоторый промежуток времени влагосодержание U в пластине распределится по закону' параболы, симметричной по отношению к центральной оси пластины. Предположим, что пла­ стина состоит из бесконечно тонких, не связанных друг с другом полосок, тогда по мере удаления влаги из полосок последние пре­ терпевают линейную усадку, пропорциональную влагосодержанию. Очевидно, что воображаемые тонкие полоски в пластине к моменту распределения влаги по данной параболе сократились бы до раз­ меров, показанных на рис. 40, б, т. е. размеры пластинок опреде­ лялись бы кривой влагосодержания. Но в действительности пла­

Рис. 40. Схема напряженного состояния неограни­ ченной пластины при сушке (торцы пластины влагоизолированы)

стинки связаны друг с другом, и такой ступенчатой картины не получается: пластина просто уменьшается от длины / н до /к , соот­ ветствующей среднему влагосодержанию. Грани, лежащие на по­ верхности, сократились меньше, чем они должны были сократить­ ся, а слои в центре сократились больше. В пластине появилось напряженное состояние. Поверхностные слои испытывают напря­ жения растяжения, а слои центра пластины — напряжения сжатия, что и показано на рис. 40, а соответствующими знаками. В этом случае считают, что появилась недопущенная "усадка, т. е. разница между длиной полоски, которую она имела бы при свободном со­ кращении, и той длиной, которую она имеет в действительности. Одновременно в пластине будут два слоя, усадка которых соответ­ ствует их влагосодержанию, они не имеют недопущенной усадки н не испытывают напряжений. Такие слои называются нейтральными плоскостями.