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

Как показали исследования, растягивающие напряжения на по­ верхности материала не приводят к растрескиванию. Материал растрескивается только в том случае, -если возникшие за счет на­ пряженного,, состояния (растягивающих и сжимающих усилий) касательные напряжения превысят допустимые для данного ма­ териала, определяемые его физическими свойствами.

Отсюда, если сравнить напряженное состояние, возникающее при сушке материала, и напряженное состояние, возникающее при охлаждении полимерного материала после переработки (см. рис. 12), можно установить полную аналогию между ними. Следо­ вательно, тепловая обработка полимерного материала приводит к возникновению напряженного состояния, которое в одних матери­ алах релаксируется быстро, в других, к которым относятся поли­ мерные, значительно медленнее.

§5. Тепло- и массообмен при сушке материала

Всушильных установках происходит непрерывный тепло- и мас­ сообмен между сушильным агентом и поверхностью материала. Сушильный агент отдает тепло, а сам воспринимает от материала влагу. Полученное тепло ' распространяется внутри материала, а влага движется к поверхности, с которой забирается сушильным агентом.

Таким образом, как уже указывалось, тепло- и массобмен при сушке можно разделить на внешний и внутренний.

Процесс тепло- и массообмена при сушке разработан отечест­ венной школой ученых. Основные положения теории сушки были впервые изложены П. С. Косовичем, А. В. Лебедевым, продолжены А. П. Ворошиловым, Л. К. Рамзиным и др. В настоящее время эти

агентом и материалом происходит конвекцией, излучением и тепло­

теплообмен. Поэтому большинство применяемых сушильных уста­ новок, где в качестве сушильного агента используют горячий воз­ дух или дымовые газы, относят к конвекционным тепловым агре­ гатам.

При конвекционном теплообмене поток тепла к материалу опре­ деляют

100

Этот поток тепла расходуется на нагрев материала, влаги, на­ ходящейся в материале, и на испарение влаги с поверхности мате­ риала.

В общем расходе тепло, расходуемое на нагрев материала в пе­ риод постоянной скорости сушки, значительно меньше, чем на испа­ рение влаги с поверхности. Расход тепла на нагрев влаги в мате­ риале еще меньше, чем на нагрев материала. Поэтому зависимость, представляющую балансовое уравнение тепла, с некоторым прибли­ жением записывают

В этом уравнении первый член правой части учитывает расход тепла на испарение влаги, а второй — на нагрев материала, в нем приняты следующие обозначения:

г — теплота испарения; равная теплоте парообразования ,и теп­

В процессе сушки величина du/dx — отрицательна, поэтому ско­ рость нагрева dt/dx и скорость сушки du/dx при суммировании счи­ тают по их абсолютным значениям.

Процесс перемещения влаги с поверхности в окружающую сре­ ду возникает, как указывалось, за счет превышения парциально­ го давления водяных паров на поверхности материала по отноше­ нию к парциональному давлению водяных паров в окружающей среде или в теплоносителе. Таким образом, при соприкосновении влажного материала с нагретым теплоносителем жидкость на по­ верхности испаряется и путем диффузии покидает поверхность материала, перехода в окружающую среду.

Процесс перемещения влаги с поверхности в окружающую сре­ ду описывается формулой Дальтона, которая устанавливает связь

ное давление водяных паров окружающей среды: В — барометриче­ ское давление при нормальных физических условиях; В'.— существующее барометрическое давление.

Анализируя формулу (V.5),. легко определить состояние мате­ риала по отношению окружающей среды. Например, при Рп.м>Р'о.с материал отдает влагу окружающей среде, следовательно, он будет

101

находиться во влажном состоянии. При Р^.ы<.Ро.с материал будет отбирать влагу от окружающей среды и будет (находиться в гигро­ скопическом состоянии. Если Рп.м=Р о.с материал по отношению к окружающей среде будет находиться в равновесном состоящий.

Коэффициент массообмена С может быть определен по методи­

объема абсолютно сухого материала к его поверхности, с которой

Для перерасчета коэффициента диффузии водяных паров на лю­

-где Т — абсолютная температура воздушно-паровой смеси; Rn — газовая постоянная пара.

Общий вид функции массообменного критерия Нуссельта для условий вынужденной конвекции

пературы окружающей среды (теплоносителя) по сухому и мокро­

ределения потока тепла от теплоносителя к материалу может быть записана "

Перенос массы (влаги) с поверхности материала в окружаю­ щую среду в направлении, перпендикулярном потоку теплоносите­ ля, влияет на состояние пограничного слоя, что обусловливает из­ менение коэффициентов теплообмена. Поэтому при расчете а по критерию Нуссельта необходимо учитывать одновременность тече­ ния процессов обмена теплом и массой.

При одновременном течении процессов тепло- и массообмена наиболее распространенным является для определения коэффици­ ента теплоотдачи а от теплоносителя к материалу соотношение, полученное А. В. Нестеренко (значение А и т см. табл. 7).

Соотношение получено для плоской пластины при конвективном подводе тепла. За определяющий размер пластины принят ее раз­ мер в направлении потока газов.

Значения физических коэффициентов, входящих в выражение отдельных критерием так же, как и в уравнении (V.9) принимают' при средней температуре между поверхностью жидкости и окружа­ ющей среды.

П. Д. Лебедев [23] показал, что коэффициент теплоотдачи явля­ ется постоянной величиной только в период постоянной скорости сушки. В 'период падающей "скорости сушки .коэффициент тепло­ отдачи от сушильного агента к материалу непрерывно уменьшает-

103

ся, постепенно приближаясь к величине коэффициента теплоотдачи от сушильного агента к сухому материалу..

Формулы Ньютона (V.3) и Дальтона (V.5), отображающие взаимодействие влажного тела с окружающей средой, справедли­ вы, таким образом, только для стационарного процесса тепло- и

,массообмена (испарение жидкости со свободной поверхности в пе­ риод постоянной скорости сушки). При нестационарном процессе (период падающей скорости сушки) указанные формулы могут применяться только для качественного анализа процесса.

Чтобы увеличить интенсивность сушки, необходимо повысить теплообмен материала с окружающей средой. Анализируя форму­ лу Ньютона (? = а(г'т — ^п.м), видно, что интенсификация теплообме­ на возможна или за счет повышения а — коэффициента теплоотда­ чи, или за счет увеличения tT — температуры сушильного агента.

Одним из факторов повышения теплообмена с окружающей средой является увеличение скорости движения сушильного агента или замена продольного обтекания материала на перекрестное.

Перпендикулярный обдув материала увеличивает теплообмен примерно вдвое. Особенно этот метод дает эффект для сушки лис­ товых материалов, например, движущегося полотна бумаги, поэто­ му применяемые горизонтальные сушильно-пропиточные машины с • сопловым дутьем теплоносителя под полотно движущейся бумаги дают возможность высушить материал в течение нескольких секунд.

Еще более эффективным является комбинированный метод под­ вода тепла. Например, при использовании радиационного обогре­ ва с одновременным обдувом нагретым теплоносителем через си­ стему сопел интенсивность сушки возрастает не только за счет перпендикулярного обдува, но и за счет потока лучистой энер­ гии qn, воспринимаемого поверхностью материала.

Комбинированные методы сушки при производстве полимерных строительных материалов применяют наиболее широко.

Для определения коэффициента теплоотдачи при комбиниро­ ванном, лучисто-конвективном методе сушки, коэффициент теплоот­

104

. нальности, называемой коэффициентом массопроводности или для частного случая — коэффициентом влагопроводности; V 8 — гради­

Удельной Cm называют влагоемкость единицы массы вещества. Влагоемкостью тела называют произведение удельной влагоемкости Ст на массу абсолютно сухого тела — М

влагоемкостью. Если влагоемкость изменяется в зависимости от по­

двух и одной координаты. Наиболее простой вид уравнения имеет одномерное поле Q=f(x).

Все точки пространства, имеющие одинаковый потенциал вла­ гопереноса, образуют изопотенциальную поверхность. Изменение - потенциала влагопереноса может наблюдаться лишь в направле­ нии, пересекающем изопотенциальную поверхность, например, в направлении X (рис. 41). Наибольшее изменение потенциала'вла­ гопереноса будет в направлении нормали п к изопотенциальным поверхностям. Следовательно, частная производная потенциала -

105

влагопереноса по нормали к нзопотенциальнон поверхности будет являться градиентом потенциала переноса V 6 — векторной вели­ чиной, за положительное направление которой считается направле­ ние в сторону возрастания потенциала влагопереноса. Наличие градиента потенциала влагопереноса вызывает в теле поток влаги qm, направленный в сторону уменьшения потенциала влагопере­ носа.

Поток влаги (массы), отнесенный к единице поверхности тела, называют поверхностной плотностью потока или просто плотностью

ная потенциала переноса, равная обратной величине удельной влагоемкости \1С'т.

Отсюда зависимость между градиентом потенциала массопере-

106

ратуры по сечению материала вызывает в материале перемещение влаги по направлению теплового потока. Это явление было назва­ но термовлагопроводностью или термодиффузией влаги под влия­ нием градиента температуры.

Для этого случая рассмотрим перенос массы при постоянном поле влагосодержания и' давления в материале. Тогда потенциал массопереноса 0 будет однозначной функцией температуры. В этом случае закон переноса можно записать:

влажного капиллярно-пористого тела. В большинстве случаев этот коэффициент невелик.

Следовательно, уравнение (V.20) выражает частный поток вла­

107

сравнению с окружающей средой) из-за внутреннего сопротивления тела движению пара, образующегося в результате быстрого испа­ рения жидкости. Появлению градиента общего давления способст­ вует молекулярное натекание воздуха (движение Кнудсена) через микрокапилляры в области высоких температур тела. Это явление наблюдается при сушке токами высокой частоты, а также при радиационной сушке.

Наличие градиента давления внутри тела вызывает молярный перенос паро-газовой смеси, подобный фильтрации газа через по­ ристые тела.

Это давление при температуре 70—100° С наблюдал и замерил Г. А. Максимов *. Автором обнаружено и экспериментально прове­ рено наличие градиента давления при сушке материала при более низких температурах [36].

При наличии в материале избыточного давления рассмотрим перенос массы при постоянных влагосодержании и температурном

где бр — коэффициент переноса массы при наличии давления. Согласно закону Дарси, фильтрационный поток qm влажного

воздуха через пористое тело равен qm=-—KVP (К — коэффициент воздухопроницаемости). Тогда, обозначив атр0Ьр = ар, получим

мость материала под действие избыточного давления. При высоких температурах, когда влага движется в материале в виде пара (мо-

* Г. А. М а к с и м о в . Теплообмен и массообмен влажных материалов при нагреве в электрическом поле высокой частоты. Диссертация. М Т И П П , 1957.

108

сы при наличии градиентов влагосодержания, температуры и дав­ ления.

Рассматривая уравнение (V.26), можно видеть, что интенсив­ ность внутреннего массообмена, а следовательно, и интенсивность сушки зависят от коэффициентов: ат, б и ар. Поэтому на рис. 42 приводится экспериментальная зависимость коэффициента потенциалопроводности ат от влажности материала, при постоянной тем­ пературе. На рис. 43 показана зависимость коэффициента перено­ са массы термовлагопроводностью б от влажности материала так­ же при постоянной температуре.

Сушка при наличии поликонденсации или полимеризации. Про­ цесс сушки, осложненный поликонденсацией или полимеризацией связующего, широко применяют в производстве строительных из­ делий на основе полимерных материалов. Указанной обработке под­ вергаются минераловатные плиты, изготавливаемые на различных полимерных связующих.

Впервые использовать в качестве связующего для минераловатных плит полимерные материалы предложил К. Э. Горяинов.

В качестве связующих применяют водоэмульсионные продукты конденсации суммарных фенолов с формальдегидом, продукты по­ ликонденсации мочевины с формальдегидом, фурфурол-ацетоновой мономер, поливенилацетатную эмульсию и др.

Связующее в виде водной эмульсии наносят методами распыле­ ния или полива на минераловатный ковер. Влажность ковра при

109