Основы термодинамики и теплотехники
Гр.ПТН-0-18
Конспект лекции
Тема 8.1. Основы теории сушки
I. Общие понятия
Процесс обезвоживания материала за счет испарения влаги и отвода её паров называется сушкой. Все тела обладают способностью поглощать влагу, отдавать влагу и интенсивно удерживать влагу. Количество влаги в теле меняется в значительных пределах в зависимости от условий.
Сушка наряду с обжигом является наиболее продолжительным и ответственным процессом во многих отраслях производства строительных материалов, которые относятся к тугоплавким неметаллическим материалам.
Современная теория и практика процессов сушки базируется на фундаментальных исследованиях, выполненных в 1932-1935 гг. Алексеем Васильевичем Лыковым.
В основе этой теории лежит интенсивность связи влаги с материалами. Им вскрыты основные механизмы сушки:
1) за счет градиента влажности (явления влагопроводности) или концентрационная диффузия;
2) за счет градиента температуры (явления термовлагопроводности) или термическая диффузия.
Концентрационная диффузия – перенос массы происходит в системе, в различных точках которой температура и давление одинаковы, а концентрации компонентов различны (потенциал переноса – разность концентраций). Описывается 1-ым законом Фика (аналог закона Фурье – о теплопроводности материала).
В виду большой сложности процессов термической диффузии она рассматривается в учебных циклах высшего образования. В дальнейшем мы сосредоточим свое внимание на концентрационной диффузии, т.е. движение (перемещение) влаги внутри материала за счет градиента влажности или влагосодержания.
Градиент влагосодержания – отношение разности влагосодержания к толщине изделия, он обеспечивает поступление влаги из внутренних слоев материала к поверхностным, благодаря чему поверхность материала не пересыхает.
Это явление носит название внутренней диффузии.
Чтобы двигаться дальше в процессе познания основ сушки, рассмотрим типы материалов, которые в практике подлежат сушке.
II. Классификация материалов по способу удержания влаги
По физическим свойствам влажные материалы могут быть разделены на три основных вида:
1) коллоидные тела,
2) капиллярно-пористые,
3) капиллярно – пористые коллоидные тела.
Капиллярно-пористые материалы при сушке практически не меняют свои размеры.
Коллоидные материалы при изменении содержания в них влаги изменяют геометрические размеры, но сохраняют эластичные свойства (желатин, мучное тесто).
Капиллярно-пористые коллоидные материалы имеют капиллярно-пористую структуру, но стенки капилляров эластичны, способны к набуханию при обезвоживании. Большинство влажны х материалов относится к третьей группе (торф, ткани, древесина и др.).
При сушке влага из внутренних слоев влажного материала передвигается к поверхности, а затем испаряется в окружающую среду. На преодоление сил сцепления молекул влаги друг с другом и со скелетом материала требуются затраты энергии, поэтому скорость процессов переноса зависит от форм связи влаги с материалом. По классификации П.А. Ребиндера энергия связи влаги с материалом наибольшая при химической форме связи, менее прочной является физико-химическая связь, а наименьшая - при физико – механической связи.
Химическая связь - в точных количественных соотношениях, может быть разрушена при химических реакциях или при прокаливании.
III. О формах связи влаги с материалом.
1. Химическая связь - наиболее прочная связь с материалом. Влага входит в состав кристаллических решеток материала или молекул вещества. При сушке не удаляется, т.к. её удаление изменяет свойства материала (вещества). Например, при разрушении глинообразующего материала КАОЛИНИТА Al2O3 2SiO2 2H2O глина теряет свою пластичность, при удалении химически связанной влаги из гипсовых изделий, состоящих из CaSO4 2H2O, гипс теряет свою прочность.
2. Физико - химическая связь - осуществляется адсорбционными и осмотическими силами, обладают средней интенсивностью связи с материалами.
Физико - химическая связь различается на:
- адсорбционная влага;
- осмотическая влага;
- структурная влага.
Адсорбционная влага – основана на молекулярном взаимодействии материала с влагой. Удерживается молекулярным силовым полем на внешней и внутренней активной поверхности пор, пустот, капилляров, стенках клеток и т.д. тело увеличивает свой объем, но он меньше первичных объемов тела.
Осмотическая влага – проникает внутрь замкнутых клеток через стенку клетки.
Структурная влага – это внутриклеточная жидкость, захваченная при образовании структуры геля.
Процессы сорбции и десорбции, как играющие важнейшую роль в процессе сушки рассмотрим чуть дальше, а сейчас продолжим разбираться с состоянием влажного материала (вещества).
3. Физико - механическая связь - это влага, находящаяся в микро- и макрокапиллярах, крупных порах и пустотах, и влага смачивания. Эта влага удерживается в материале чисто механически, наименее прочно связана с материалом и подвижна под действием сил тяжести. Она может быть удалена (частично) как механическим путем – давлением и центрифугированием, так и испарением.
IV. Классификация влаги в материале с точки зрения процесса суши
По состоянию в материале различают влагу свободную и связанную (рис.1).
Свободная – это влага макрокапилляров, крупных пор и пустот, осмотическая, структурная, смачивания.
Связанная – это влага микрокапиллярная и адсорбционная. Она более прочно связана с материалом.
Рис.1
О влажности материала.
Влага смачивания. Находится на наружной поверхности и в макропорах. Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении с водой. Удерживается прилипанием (смачиваемость).
Состояние материала, при котором он содержит максимально возможное количество связанной влаги и не содержит свободной влаги, называется гигроскопическим максимумом. Такой материал называют влажным. Материал, который содержит ещё и свободную влагу называют сырым или мокрым.
По условиям удаления из материала различают влагу избыточную и равновесную.
Избыточная влага – та часть общей влаги в материале, которая может быть удалена при данных условиях сушки, т.е. при данной температуре и относительной влажности сушильного агента. В избыточную влагу входит вся свободная влага и часть связаной.
Под равновесной влагой понимают, ту часть общей влаги в материале, которая не может быть удалена при данных условиях сушки. Её можно удалить из материала только при температуре 105-110 град.
Поглощение материалом влаги из воздуха называется сорбцией. Обратный процесс удаления влаги из материала путем её испарения называется десорбцией. Процесс удаления из материала связанной и свободной влаги называется СУШКОЙ.
Равновесная влажность
При долгом контакте материала с воздухом определенной t и φ, влажность материала постоянна – равновесная.
Температура материала равна температуре влажного воздуха, давление паров воды у поверхности материала равно парциальному давлению водяного пара в воздухе:
| Pm=Pnв |
Гигроскопичная точка
Парциальное давление пара в воздухе и непосредственно над поверхностью материала равны парциальному давлению насыщенного пара при данной температуре:
| Pm=Pnв=Рнас |
Если влажность материала больше влажности гигроскопической точки – материал находится во влажном состоянии.
V. Влажность материала
Масса влажного материала равна массе сухого вещества Мc и массе влаги - Wвл.
Мвл = Мc + Wвл., кг
Абсолютная влажность материала, Wа. - есть отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе абсолютно сухого материала, т.е.
Wа. = 
*100%
Относительная влажность материала, W. - есть отношение массы влаги, содержащейся в материале, к массе влажного материала, т.е.
W. = 
*100%
Относительная влажность материала не может быть выше 100%, в то время как абсолютная может быть выше 100%.
Связь между абсолютной и относительной влажностью материала выражается следующими формулами:
W. = 
%,
Wa. = 
%.
Задание к 15.04.2020 г.
1. Составить краткий конспект (1,5÷2 машинописного листа) на основе данного конспекта лекции и видеолекции на Яндекс – диске.
2. На отдельном листе написать определения:
· Что такое сушка;
· Что означает градиент влагосодержания;
· Понятие концентрационной диффузии;
· Основные формы связи влаги с материалом;
· Определение равновесной влажности и гигроскопической точки;
· Что означает – «материал влажный»;
· Физическое понятие абсолютной и относительной влажности материала.
3. Литература:
1. Левченко П.В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. Высшая школа, М., 1968 г. стр.215-223; 235-237.
2. Никифорова Н.М. Теплотехника и теплотехническое оборудование предприятий промышленности строительных материалов и изделий. Высшая школа, М., 1981 г. стр.183-186.
Подготовил: Преподаватель дисциплины
«Основы термодинамики и теплотехники»,
к.т.н. Иванов Н.И.