Дисциплина Теплотехника и ТУ Лекция 3 Сушка

Дисциплина «Теплотехника и ТУ» Лекция № 3 Сушка строительных материалов

План лекции Основные понятия. Виды связи влаги с материалом. Кривая сушки и кривая скорости сушки влажных материалов.

Виды связи влаги с материалом Сушка материала это термическое удаление влаги из твердых материалов путем ее испарения. Влажность материала представляет GВМ=GСМ+W Где GВМ – масса влажного материала GСМ – масса сухого материала W – масса физико механической связанной воды

Состояние материала относительно окружающей среды Состояние материла Влажное Равновесное Гигроскопичное

Связь влаги с материалом Связь влаги Химическая Физико химическая Физико механическая

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу сушку делят: 1) Контактная – путём передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделительную стенку; 2) Конвективная – путём непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом. В качестве которого используют: подогретый воздух, топочные газы либо топочные газы с воздухом; 3) Радиационная – путём передачи тепла инфракрасным излучением; 4) Диэлектрическая – в поле токов высокой частоты; 5) Сублимационная – в замороженном состоянии в вакууме.

Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным воздухом или газом. При конвективной сушке влажному воздуху отводится основная роль. Поэтому необходимо чётко представлять какими параметрами описывается воздух.

Виды связи влаги с материалом. Кривая сушки и кривая скорости сушки влажных материалов. Сушка является типичным тепло и массообменным процессом, то ее кинетика будет определяться в первую очередь формой связи влаги с материалом. В зависимости от величины энергии связи влаги (воды) с сухим веществом материала различают (по классификации П. А. Ребиндера) следующие формы: а) Химическая (ионная и молекулярная) связь. Вода в этом случае входит в состав молекулы данного химического соединения в строго определенных стехиометрических соотношениях (вода кислот, оснований, кристаллогидратов). Химически связанная вода может быть выделена из молекулы соединения при помощи химической реакции или прокаливания. В процессе сушки она не удаляется. б) Физико химическая (адсорбционная и осмотическая) связь включает влагу, поглощенную в виде пара из окружающей газовой среды и удерживаемую на поверхности вещества под действием ее молекулярного силового поля (адсорбированная вода), а также влагу, входящую в состав растительных и животных клеток (осмотическая).

в) Физико механически связанная вода представляет собой жидкость, захваченную при образовании структуры геля, находящуюся в порах и макрокапиллярах материала, с также влагу смачивания, обусловленную прилипанием воды при непосредственном соприкосновении ее с поверхностью тела. К макрокапиллярам относятся такие, которые не обладают капиллярными свойствами, в них не наблюдается изменения давления пара по сравнению с его значением для свободной жидкости. Считается, что радиус макрокапилляра R>10 5 см. Физико механически связанная влага называется свободной и может быть удалена даже механическим путем. Необходимо отметить, что резкой границы между отдельными видами связи жидкости с телом не существует: одна форма связи постепенно уменьшается за счет преобладания другой.

Формы связи влаги с материалом Природа связи Химически связанная Адсорбционная Химическая Силы валентности При сушке не удаляется Физико хим. Молекулярные В виде пара силы Физ. мех. Силы В виде пара капиллярного давле ния Физико мех. Силы В виде пара капиллярного давления Физико хим. Силы внутренней В виде энергии жид кости Физико хим. Механические Свободная Микрокапилярная Макрокапиллярна я Осмотическая Структурная Силы, удержи вающие влагу в материале Агрегатное состояние, в ко тором влага пере мещаетс я в материале при сушке Виды влаги, находящейся в материале В виде Группа по прочности связи Физически связанная влага Свободная влага

Классификация сушилок. № 1 2. 3. 4. 5. 6. 7. Признак классификации Типы сушилок Давление в рабочем пространстве. Атмосферные, вакуумные, под избыточным давлением. Режим работы. Периодического и непериодического действия Вид теплоносителя. Воздушные, на дымовых или инертных газах, на насыщенном или перегретом паре, на жидких теплоносителях. Направление движения Прямоточные, противоточные, с теплоносителя относительно перекрёстным током, реверсивные. материала. Характер циркуляции теплоносителя С естественной и принудительной циркуляцией. Способ нагревания теплоносителя. С паровыми воздухонагревателями, с топочными устройствами, с электронагревателями, комбинированные Краткость использования теплоносителя. Прямоточные или рециркуляционные.

Классификация сушилок. № 8. 9. 10. 11. 12. Признак классификации Способ удаления влаги из сушилки. Типы сушилок С отходящим теплоносителем, с продувочным воздухом, компенсационные, с химическим поглощением влаги. Способ подвода тепла к Конвективные, контактные, с нагревом материалу. токами высокой частоты, с лучистым нагревом, с акустически или ультразвуковым нагревом Вид высушиваемого материала. Для крупно дисперсных, тонкодисперсных, пылевидных, ленточных, пастообразных, жидких растворов или суспензий. Гидродинамический режим. С плотным неподвижным слоем, перемешиваемым слоем, взвешаным слоем (псевдосжиженый слой, закрученные потоки), с распылением в потоке теплоносителя Конструктивный тип сушилки. Камерные, шахтные, ленточные, барабанные, трубные и т. д.

Механизм переноса вещества внутри твердой фазы сложен, так как часть влаги испаряется внутри материала и перемещение ее к поверхности происходит в виде жидкости и пара одновременно за счет действия различных сил. Для жидкой фазы это капиллярные, осмотические, гравитационные, термокапиллярные и др. силы, а для паровой фазы – молярный перенос, молекулярная диффузия, бародиффузия, термодиффузия. Удельный вес потоков фаз и действующих сил зависит от большого числа факторов, включающих в себя как внутренние связанные со структурой высушиваемого тела, так и внешние – параметры процесса и свойства сушильного агента. Кроме того, соотношение потоков и сил меняется с протеканием процесса. Все это создает сложную картину переноса, не поддающуюся аналитическому расчету, основанному на количественном анализе составляющих ее процессов переноса влаги. Кинетика сушки влажного материала обычно исследуется экспериментально путем нахождения зависимостей температуры прогрева высушиваемого материала t = f 1(t), кривой сушки и скорости сушки. Во всех этих зависимостях легко установить наличие трех этапов протекания процесса.

Кривая сушки и прогрева высушиваемого материала

Кривая скорости сушки u = f(wc)

Различают два периода сушки: период постоянной скорости и период падающей скорости процесса. В течение первого периода влага испаряется со всей поверхности материала так же, как она испаряется с зеркала испарения некоторого объема жидкости. В этом периоде скорость сушки постоянна и определяется лишь скоростью внешней диффузии, т. е. диффузии паров влаги с поверхности материала в окружающую среду. Во втором периоде скорость сушки определяется внутренней диффузией перемещением влаги изнутри материала к его поверхности. С началом второго периода поверхность подсохнувшего материала начинает покрываться коркой и поверхность испарения влаги постоянно уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления внутренней диффузии и к непрерывному уменьшению скорости сушки.

В зависимости от толщины и структуры некоторых материалов испарение влаги с их поверхности в конце второго периода прекращается совсем и происходит внутри материала. Поэтому в соответствии с характером удаления влаги, второй период сушки часто складывается из двух стадий: стадии равномерно падающей скорости и стадии неравномерно падающей скорости. Двум основным периодам предшествует некоторый период прогрева материала до температуры сушки.

Кривая сушки материала и изменение его температуры в процессе сушки.

Кривая скорости сушки

Скорость сушки зависит также от направления движения сушильного агента относительно высушиваемого материала. При прямотоке влажный материал на входе в сушилку соприкасается со свежим горячим воздухом, поэтому сушка вначале протекает интенсивно, а затем замедляется, причем в конце сушилки температура материала приближается к температуре t 2 отработанного воздуха. При противотоке влажный материал вначале соприкасается с отработанным воздухом, а высушенный материал с свежим горячим воздухом, поступающим в сушилку. Вследствие этого сушка вначале идет медленно, в конце же влажность материала быстро уменьшается, а его температура возрастает, приближаясь к температуре t 1 сушильного агента, и может оказаться выше допустимой для данного материала. Поэтому при сушке топочными газами (или другим сушильным агентом, имеющим высокую температуру) применяют прямоток. Противоток предпочитают при сушке материала до низкой конечной влажности, которая достигается в этом случае за более короткое время. Расчетом не учитывается ряд факторов, оказывающих большое влияние на продолжительность сушки, а именно: неравномерное омывание материала воздухом, наличие "мертвых" зон, изменение температуры материала и пр.

Химическая связь воды Са. О+Н 2 О=Са(ОН)2 Физико химическая связь когда вода захватывается образующим гелем.

Характеристики сушки материала Рис. 42. Кривые равновесного влаго содержания / — глины; 2 — древесины Рис. 41. Характерные периоды процесса сушки Рис. 43. Кривые равновесного вла госодержания некоторых строитель ных материалов / — бетона (р— 2300 кг/л 3); 2 — известково цемснтной штукатурки; , ? — плит из стек ловаты; 4— кирпича (р =1200 кг/л 3)