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.

Если температура в двух точках материала различна, то разность температур (Δt=t₁-t₂) называется температурным перепадом, а удельный перепад, т.е. перепад температур на единице протяженности теплового потока, - температурным градиентом.

Удельный перепад влагосодержаний в материале называют градиентом влагосодержаний

а удельный перепад давлений - градиентом давлений

 

Различные исследования позволяют сделать вывод о том, что наиболее интенсивный перенос влаги в материале происходит при совпадении градиентов влагосодержаний, температур и давлений. При этом градиенты не оказывают взаимного тормозящего воздействия на потоки влаги, что является важнейшим условием для организации интенсивного сушильного процесса.

 

Периоды процесса сушки.

Для знакомства с динамикой изменения температур и влагосодержаний в материале в процессе сушки представим, что пористый материал с начальным влагосодержанием и ₀ и температурой t₀ помещен в установку с непрерывно меняющимся сушильным агентом и постоянной температурой t_c.

Рис. 12.1. Схема направлений градиентов и частотных потоков массы при сушке

В первый период (I) сушки — период прогрева (τ₁) - происходит прогрев материала и t°_в установке повышается от t₀ до t_II. Температура на поверхности материала значительно выше (Δt₁); поток массы q_t (рис. 12.1), вызванный градиентом температур, направлен к центру изделия.

Градиент температур оказывает тормозящее действие на передвижение влаги к поверхности, что отражается в уравнении плотности потока для периода I:

где q_u - плотности потока массы, кг/(м²·ч); q₁ - удельный перенос влаги, кг/(м²·ч); q_p - удельный поток влаги за счет градиента давления, кг/(м²·ч).

Интенсивность испарения влаги в течение периода τ₁ возрастает. А влажность материала снижается незначительно.

Период II называется периодом постоянной скорости сушки и характеризуется постоянной температурой материала как на поверхности, так и в центре его, равной температуре мокрого термометра:

Внешняя поверхность покрыта слоем влаги и скорость сушки определяется условиями внешней диффузии пара через пограничный слой в окружающую газовую среду. Градиенты температур отсутствуют; передвижение влаги к поверхности зависит от градиентов влагосодержаний и давлений:

Сушка происходит с постоянной интенсивностью, приближающейся к интенсивности испарения влаги со свободной поверхности. Процесс заканчивается, когда свободная влага пол­ностью испарится, влагосодержание снизится до критического U_K, а влагосодержание на поверхности - до гигроскопического U_e, соответствующего влажности материала при длительном воздействии на него насыщенной парами окружающей среды.

Период /// сушки материала называется периодом падающей скорости сушки. Основная влага удалена из материала в предыдущем периоде, поэтому скорость сушки зависит, в основном, от скорости перемещения влаги внутри материала по капилля­рам и порам. Теплота в период III расходуется не только на испарение влаги, а также на нагрев материала. Температура поверхности приближается к температуре сушильного агента tc; за счет теплопроводности материала прогревается весь его объем, температура центра растет. В результате вновь возникает перепад температур на участке поверхность-центр, а поток массы qt, вызванный градиентом температур, направлен внутрь материала. Удаление влаги продолжается, однако интенсивность испарения уменьшается и по достижении материалом равновесий влажности становится равной нулю.

Уравнение плотности потока массы для периода падающей скорости сушки (III) записывается в следующем виде:

Напряжения и деформации в процессе сушки.

При удалении влаги частицы материала сближаются. В результате размеры изделия сокращаются, и происходит определенная усадка материала, зависящая от его структуры и вида связи влаги.

В период / и /// температура материала по толщине изделия различна, в результате чего возникает неравномерное расшире­ние различных слоев:

где α₁ - коэффициент линейного расширения.

При анализе напряженных состояний необходимо отметить, что напряжения, возникающие под влиянием градиентов влагосодержаний и температур, имеют противоположные знаки, и уменьшая друг друга, снижают напряженное состояние мате­риала. Однако усадка, вызываемая испарением влаги, во много раз превышает температурное расширение материала, и поэтому скорость испарения влаги оказывает основное влияние на деформативное изменение его структуры.

Перепады давлений также могут быть причиной нарушения структуры материала при сушке.

 

Классификация процессов сушки.

а) Сушка с рециркуляцией

При обработке изделий по мягким температурным и влажностным режимам применяют сушку с использованием отработанного сушильного агента, или сушку с рециркуляцией.

Рис. 12.2. Сушка с рециркуляцией:

1 — смесительная камера; 2 - подающий вентилятор; 3 — калорифер; 4 - сушильная установка; 5 — отсасывающий вентилятор.

На приведенной схеме (рис. 12.2) наружный воздух с параметрами точки А и отработанный сушильный агент с параметрами точки С в смесительной камере 1 смешиваются.

Смесь с параметрами точки А' подается с помощью вентилятора 2 в калорифер 3, а затем в сушильную установку 4. Проходя через калорифер, смесь нагревается до параметров точки В', а в сушильной установке увлажняется, отбирая влагу из материала.

При реализации процесса сушки с рециркуляцией значительно снижаются температуры нагрева воздуха в калориферах, од­нако увеличиваются расходы за счет установки дополнительных вентиляторов и систем.

б) Сушка с подогревом в сушильной камере

В этом варианте сушильного процесса, как и в сушке с ре­циркуляцией, подача сушильного агента с высокой температу­рой отрицательно воздействует на качество материала, что вы­нуждает снижать температуру на входе в установку. В данном варианте дополнительная теплота подается непосредственно в сушильную установку (рис. 12.3).

Рис. 12/3.Сушка с подогревом в сушильной камере:

1 - калорифер; 2 - сушильная установка, 3 - вентилятор.

Наружный воздух (точка А) нагревается в калорифере 1 до параметров точки В₁ а затем подается в сушилку 2, где в ходе сушки с помощью установленных нагревательных приборов вырабатывается дополнительная теплота.

в) Многозонная сушка с промежуточным ступенчатым подогревом и рециркуляцией в настоящее время получает широкое распространение. Такой вид сушки позволяет в материале или изделиях снизить разность потенциалов, уменьшить напряженное состояние, приблизить процесс сушки к естественному. Сушильная камера разделена на 3 зоны (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Сушка многозонная с промежуточным подогревом

В зоне I наружный воздух смешивается с находящимся в установке сушильным агентом и подогревается нагревательным прибором, получая количество теплоты qt; аналогичные процессы происходят в зонах II и III.

г) Сушка дымовыми газами

При сушке строительных материалов и изделий, к которым не предъявляются повышенные требования по чистоте поверх­ности (песок, глина, щебень), широко используют продукты сгорания топлива, получаемые в специальных топках или отработанные в других тепловых установках (котельных, печных). На схеме (рис. 12.5) дымовые газы, выходящие из топки 1 или отработавшие в установке 2, подаются в камеру 3, где смешиваются с наружным воздухом (т. А); сюда же могут быть поданы рециркуляционные газы.

Вентиляторами газовоздушная смесь подается в сушилку 4 и отсасывается из нее.

Этот вариант сушильного процесса применяют при сушке теплоизоляционных изделий, гипсовых и керамических камней.

Рис. 12.5. Сушка дымовыми газами:

1 - топка; 2 - установка для забора отработанных газов; 3 - камера смешивания; 4 - сушильная камера.

д) Основной вариант сушильного процесса

Вентилятор 1 (рис. 12.6), забирая воздух из окружающей среды с параметрами, характеризуемыми точкой А, подает его в калорифер 2, где он нагревается до параметров, характеризуемых точкой В, превращаясь при этом в сушильный агент с высокими свойствами.

Затем воздух вентилятором 4 просасывается через сушильную установку 3, отбирая влагу из материала, увлажняясь и изменяя свои параметры от значений, определяемых точкой В до значений, определяемых точкой С. При этом сушка может происходить при постоянном теплосодержании влажного воздуха, а также при подаче дополнительного количества теплоты в сушильную установку или при потере ее.

Рис. 12.6. Схема сушильной установки:

1 — дутьевой вентилятор; 2 — калорифер; 3 — сушильная камера; 4 вытяжной вентилятор.

 

Режимы сушки. Особенности процессов сушки строительных материалов и изделий.

Эффективные режимы сушки должны обеспечивать высокую интенсивность сушильного процесса, сохраняя при этом качественные характеристики материала.

Мягкие режимы отличаются большой длительностью процесса и невысокими температурами обработки, а жесткие - повышенной температурой и короткими сроками.

Для материала режим сушки определяется его напряженным состоянием, вызванным перепадом влагосодержаний между центром материала или изделия и поверхностью (U_ц - U_n). По А.В. Лыкову, напряженное состояние материала по критерию трещинообразования:

где U_o - среднее начальное влагосодержание материала; U -среднее влагосодержание в данный период времени.

Для периода постоянной скорости сушки, когда выдерживается постоянство температур по всему объему материала, основой расчета является массообменный критерий Кирпичева:

откуда может быть определена плотность потока влаги:

где α _т - коэффициент потенциалопроводности, м²/ч; ρ₀ - плотность сухого материала, кг/м³; R - линейный размер тела, м.

Однако рассчитывать режим сушки аналитическими методами можно только в простейших конкретных случаях, для которых определены контакты и критерии тепло- и массообмена. Как правило, оптимальный режим сушки для каждого материала устанавливают опытным путем.