8. Сушка

Сушкой называют процесс удаления влаги из твердых материалов испарением. Этот термический процесс является важным звеном многих технологических операций в металлургии, энергетике, при производстве строительных материалов.

Сушка может быть естественной и искусственной. Первая более продолжительна, зависит от времени года и влажности атмосферного воздуха. Поэтому в промышленности используют искусственную сушку.

8.1. Основные характеристики сушки

Влага – любая жидкость, которая должна быть удалена из тела при сушке. Количество влаги в материале ,выраженное в процентах, называют его влажностью Различают относительную влажность ω (отношение массы влаги к массе всего материала) и влагосодержание ωс (отношение массы влаги к массе абсолютно сухого материала):

; ;

.

В этих формулах W, G и Gc – соответственно массы влаги, всего материала и сухого материала.

В зависимости от содержания влаги различают три состояния материала по отношению к окружающей среде: влажное, когда материал отдает влагу среде; равновесное, при котором обмен влагой материалом и средой отсутствует: гигроскопическое, характеризующееся забором влаги из окружающей среды.

Для удаления влаги из тела нужно затратить теплоту, количество которой зависит от содержания влаги в материале, а и от формы ее связи с материалом. Различают три формы связи влаги с материалом в порядке уменьшения затрачиваемой энергии на разрыв: химическую, физико-химическую и физико-механическую.

Технологи подразделяют влагу на свободную и связанную. Свободной называют влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения влаги со свободной поверхности (парциальное давление пара над поверхностью материала рм равно давлению насыщенного пара воды рн). Связанной считают влагу, скорость испарения которой меньше испарения влаги со свободной поверхности (рм<рн).

Влага не заполняет всего объема пор материала, в которых может находиться также и воздух. Поэтому высушиваемый материал следовало бы рассматривать при анализе процесса сушки как 3-х компонентную систему, состоящую из собственно материала, влаги и воздуха.

Многие виды сушки характеризуются тем, что высушиваемый материал соприкасается с влажным газом (продуктами сгорания топлива или воздухом). От параметров газа (влажности, температуры, энтальпии) зависит скорость и качество сушки.

В процессе сушки материал уменьшает свои размеры. Это явление называется усадкой. Величина усадки зависит от вида связи влаги с материалом. В большинстве случаев связь между влагосодержанием и усадкой линейна. Поверхностные слои с минимальной влажностью стремятся сократиться, чему препятствуют глубинные слои с большей влажностью. Поэтому поверхностные слои испытывают напряжение растяжения, а центральные – сжатия.

8.2. Кинетика процесса сушки

Сушка материалов происходит в несколько стадий: 1) переход влаги в пар (испарение), что требует подвода теплоты; 2) перемещение влаги к поверхности материала (внутренний массообмен); 3) перемещение пара с поверхности в окружающую среду (внешний массообмен). Количество удаляемой влаги зависит от степени развития каждого из этих процессов. Важно отметить, что при сушке уменьшается содержание влаги на поверхности, и это создает градиент концентрации по сечению тела. Поэтому в теле возникает поток влаги из глубинных слоев к поверхности, навстречу которому направлен поток теплоты. Таким образом, при сушке происходят сложные процессы влаго- и теплообмена, которые влияют друг на друга через энтальпию и влагосодержание как материала, так и окружающей его среды.

В процессе сушки необходимо не только подвести теплоту и влагу к поверхности тела, но и удалить с нее водяной пар. Для непрерывности этих процессов следует поддерживать на определенном уровне разность парциальных давлений пара на поверхности тела и в окружающей среде. Как правило, этого удается достичь постоянным обновлением сушильного агента – воздуха, дымовых газов.

Большой интерес представляет определение скорости сушки. Экспериментально установлено, что она характеризуется плотностью потока влаги через единицу поверхности в единицу времени (кг/(м2 · с) и зависит от формы связи жидкости с материалом, а также от механизма ее перемещения в высушиваемом теле.

Обычно кинетику сушки характеризуют изменением во времени среднего влагосодержания материала . Скорость сушки можно определить по следующей формуле

.