12 Перемещение влаги внутри материала

При конвективной сушке влажных материалов влага перемещается в материале по направлению от центра кусков материала к периферии, где материал омывается сушильным агентом. Такое перемещение влаги носит название влагопроводности. Влагопроводность в основном диффузионный процесс, движущей силой которого является разность между концентрациями влаги в различных точках материала. Так как мы имеем дело с диффузионным процессом, то основное уравнение влагопроводности может быть записано аналогично закону Фика:

(64)

где K_W - называется коэффициентом влагопроводности (коэффициент внутренней диффузии влаги в материале).

Знак минус показывает, что влага движется от слоя с большей концентрацией влаги к слою с меньшей концентрацией влаги, то есть в направлении противоположном градиенту концентрации.

K_W зависит от формы связи влаги с материалом, влажности материала и температуры сушки, то есть на различных стадиях процесса имеет различные значения.

Следует отметить, что влага может перемещаться в материале, как в виде жидкости, так и в виде пара, что зависит от формы связи и от характера материала.

Перемещение влаги в виде жидкости будет происходить при большой влажности материала, то есть в 1 период сушки (капиллярная и осмотически связанная влага).

Во 2 период сушки при малой влажности материала начинается испарение внутри материала (капиллярная адсорбционно-связанная влага) и перемещение влаги происходит в виде пара.

В действительности описанная картина процесса осложняется тем, что материал подвергается одновременному воздействию тепла. При этом наряду с концентрационным градиентом имеет место и температурный градиент. Во влажном материале этот градиент оказывает существенное влияние на механизм миграции влаги, проявляется действие термовлагопроводности. Под влиянием температурного градиента влага перемещается по направлению потока тепла.

Три основные причины явления термовлагопроводности:

1) термодиффузия, то есть молекулярное движение жидкости или пара;

2) уменьшение поверхностного натяжения σ_с с повышением температуры, вследствие этого в капиллярах происходит движение жидкости в сторону меньших температур, то есть по направлению теплового потока (рисунок 12);

Рисунок 12 – Схема движения жидкости в капиллярах в зависимости от температуры

3) влияние защемленного воздуха. При нагревании этого воздуха, он расширяется и проталкивает влагу, где давление меньше (рисунок 13).

t₁

t₂

>

P₂

>

P₁

Рисунок 13 – Схема движения жидкости в капиллярах в зависимости от давления

13 Кривые сушки и скорости сушки

Процесс сушки материала можно разбить на три этапа:

1) перемещение влаги внутри высушиваемого материала по направлению к его поверхности;

2) парообразование;

3) перемещение пара от поверхности материала.

Первый этап мы уже рассмотрели, второй, парообразование может протекать как на поверхности материала, так и внутри его. Рассмотрим, как протекает третий этап этого процесса.

На поверхности влажного материала образуется пограничный воздушно-паровой слой, который находится в равновесии с влагой материала. Вследствие диффузии пара через пограничный слой воздуха у поверхности материала осуществляется перенос до 90 % всей влаги. Его движущей силой является разность концентраций или разность парциальных давлений пара у поверхности материала p_м и в окружающей среде p_n. Некоторое количество влаги переносится за счет движения молекул пара в пограничном слое (мольный перенос). А перепад температур в пограничном слое ускоряет перемещение молекул пара (термодиффузия).

Вначале, при большой влажности материала пар у его поверхности является насыщенным (p_м = p_n) и соответствует температуре мокрого термометра t_м. В этот период происходит интенсивное поступление влаги из внутренних слоев материала к его поверхности. Скорость поверхностного испарения влаги из материала равна скорости испарения её со свободной поверхности жидкости.

Количество влаги прошедшей через пограничный слой в окружающую среду, должно быть равным количеству влаги подведенной к этому слою из материала. Скорость сушки может ограничиваться этими процессами и зависит от свойств материала и режима сушки.

Рассмотрим процесс сушки в координатах W^c и τ (рисунок 14).

Рисунок 14 – Изменение влажности материала от продолжительности высушивания

В начале сушки в течение небольшого промежутка времени линия имеет вид кривой (АВ) - это период прогрева материала. Затем наступает период постоянной скорости сушки - прямая ВС. В точке С, соответствующей влажности W^с_кр1, характер линий изменяется, начинается второй период - период падающей скорости СЕ. Линия СЕ состоит из двух участков разной кривизны (СD и DЕ). Точка перегиба D соответствует второй критической влажности W^с_кр2. В конце второго периода сушки влажность материала асимптотически приближается к равновесию.

В первый период происходит удаление свободной влаги (влаги макрокапилляров и смачивания). Когда свободная влага полностью удалена, наступает второй период - период удаления связанной влаги. В этот период форма кривой сушки зависит от характера связи влаги с материалом. Кроме кривой сушки для анализа сушки служит кривая скорости сушки. Скорость сушки определяется уменьшением влажности материала за некоторый бесконечно малый промежуток времени

(65)

Для ее построения используется кривая сушки (рисунок 15).

Рисунок 15 – Изменение влажности материала от скорости сушки

Горизонтальный отрезок ВС отвечает периоду постоянной скорости. В период убывающей скорости (СЕ) характер кривых скорости сушки различен в зависимости от характера материала и вида связи в нем влаги, т.к. скорость сушки определяется скоростью внутренней диффузии влаги из глубины материала к его поверхности.

Простейшая линия сушки, типа кривой 1, характерна для грубопористых материалов (бумага, тонкий картон). Линия типа кривой 2 соответствует сушке ткани, тонкой кожи, макаронного теста. Кривая 3 - характерна для керамических материалов, теряющих в процессе сушки в основном капиллярную влагу. Эти кривые имеют только одну критическую точку. Кривая 5 характерна для сушки сухарей, кривая 4 для сушки глины. На этих кривых наблюдается вторая критическая точка, которая соответствует влажности, при которой изменяется механизм перемещения влаги в материале (начало удаления адсорбционно связанной влаги).

Для анализа процесса сушки также важно знать характер изменения температуры материала t_мат в зависимости от его влажности W, т.к. с изменением температуры могут изменяться свойства материала.