При физико-механической форме связи влага удерживается в микро – и макрокапиллярах (открытых порах) материала за счёт капиллярного давления и поверхностного натяжения. К макрокапиллярам относятся капилляры, которые имеют радиус более 10–5 см. Эти капилляры не собирают влагу из воздуха, а заполняются ею только при непосредственном соприкосновении. Микрокапилляры с радиусом менее 10–5 см при действии сил капиллярного давления могут заполняться влагой за счёт её сорбции из воздуха, а также при её конденсации на поверхности материала. Влага смачивания связывается с материалом только при прямом соприкосновении. Эта связь самая непрочная и нарушается даже при воздушном хранении материала из-за разности парциальных давлений водяного пара на поверхности материала и в окружающей среде. При производстве строительных изделий применяют термины «свободная влага» и «связанная влага». Под свободной влагой понимают влагу, удаляемую из материала до равновесного состояния с окружающей средой, т.е. до равенства парциальных давлений водяного пара на поверхности материала и в окружающей среде. Связанная влага это адсорбционная, осмотическая и заполняющая микрокапилляры. Материал, хранящийся на воздухе, по своему влагосодержанию находится в неустойчивом равновесии. При увеличении влагосодержания в атмосфере он набирает влагу, а при снижении – отдаёт.
В. Состояние материала в процессе сушки
В процессе сушки из материала удаляют физико-механическую и физико-химическую влагу, связанную с ним. Следовательно, при сушке нарушаются только связи смачивания, капиллярные, структурные, осмотические и адсорбционные.
Рассмотрим влажный материал в процессе сушки как систему, состоящую из сухого материала и воды.
Gвм = Gсм + W,
где Gвм - масса влажного материала;Gсм – масса сухого материала; W – масса физико-химической и физико-механической связанной влаги. Примечание: только для процесса сушки под абсолютно сухим материалом понимают то состояние, когда масса высушенного материала будет складываться из массы сухого материала и массы физико-химической влаги.
Различают три состояния материала по отношению к окружающей среде: влажное, равновесное и гигроскопическое. 1. Под влажным понимают такое, при котором парциальное давление водяных паров на поверхности материала выше, чем парциальное давление водяных паров в окружающей среде. При этих условиях материал отдаёт влагу. Воздух, окружающий материал, ассимилирует влагу и постепенно насыщается ею. 2. Равновесное состояние соответствует равенству парциальных давлений водяных паров на поверхности материала и в окружающей среде. В этом случае сушки не происходит. 3 Гигроскопическое состояние материала, при котором парциальных давлений водяных паров на поверхности материала меньше, чем парциальных давлений водяных паров в окружающей среде, нехарактерно и может быть получено искусственно. В этом случае материал начинает сорбировать влагу из окружающей среды и постепенно переходить в равновесное состояние.
Для того чтобы иметь представление о влажном состоянии материала и его взаимодействии с окружающей средой рассмотрим неограниченную пластину, вырезанную из влажного изделия.
Кривая распределения влаги в материале
По оси Х отложена ширина пластины, равная 2Х, а по оси У – влагосодержание U. Начальное влагосодержание пластины U n0 постоянно по всему поперечному сечению пластины и показано пунктиром. Пластина помещена в условия, в которых парциальное давлений водяных паров меньше, чем на её поверхности. С поверхности пластины, соприкасающейся с окружающей средой, начинается испарение влаги W (показано стрелками); эта влага будет ассимилироваться окружающей средой. Испарение влаги с поверхностей пластины сопровождается уменьшением их влагосодержания. Появляется перепад влагосодержаний между центром и поверхностями, показанный как DU n1. Поэтому к моменту времени t1 влага в материале распределится по параболе U n1. Возникший перепад влагосодержаний представляет собой градиент потенциала переноса влаги Ñ U, который заставляет влагу продвигаться к поверхности. Поскольку скорость испарения выше скорости диффузии влаги к поверхности, то обязательно возникает перепад влагосодержаний. С увеличением скорости испарения влаги с поверхности изделия увеличивается и перепад влагосодержания внутри изделия и, наоборот, уменьшение скорости испарения влаги ведёт к снижению перепада влагосодержания.
Г. Кинетика сушки материалов
Процесс сушки влажных материалов зависит от формы связи влаги с материалом и режима сушки или условий испарения влаги с поверхности материала. Скорость сушки изменяется с изменением влажности материала.
Если процесс влагоотдачи изобразить графически в координатах влажность материала – время сушки, то получим кривую отдачи влаги, показанную на рис. 1 А.
При внесении материала в сушилку с влажностью W1 в начальный небольшой период времени t1 почти всё подводимое тепло Q тратится на прогрев материала. В точке В температура поверхности материала tпм достигает точки росы = температуре сушильного агента по мокрому термометру, т.е. (Q»tпм). Период возрастающей влагоотдачи с одновременным нагревом материала до точки В, где (Q»tпм) называют первым периодом сушки. Он очень кратковременный и по времени равен значению t1. От точки В влагосодержание начинает уменьшаться с одинаковой скоростью до точки С, при этом температура материала не меняется, что объясняется испарением влаги с поверхности материала, а такой процесс идёт с расходом теплоты на парообразование. В этот период температура в центре материала постепенно повышается до температуры поверхности. Участок ВС является вторым периодом, который называют периодом постоянной скорости сушки. Точка С, характеризующая окончание периода постоянной скорости сушки соответствует критическому влагосодержанию материала, т.е. в материале прекращается усадка и завершаются процессы структурообразования. По времени этот период соответствует значению t2.
От точки С до точки D процесс удаления влаги из материала замедляется и кривая на графике приближается к значению Uр – равновесному влагосодержанию (на графике пунктирная линия). Участок СD относится к третьему периоду – периоду падающей скорости сушки. Он самый продолжительный и по времени равен значению t3. Точка D на графике соответствует среднему конечному влагосодержанию материала Uк. Обычно сушку не ведут до состояния Uк и выгружают материал из установки раньше, чем закончится третий период. Выдают из установки материал при среднем влагосодержании Uв, когда температура поверхности материала равна температуре центра материала, т.е. tпм = tцм.
Скорость сушки dw/dτ, показанная на рис. 1 Б, определяется методом графического дифференцирования как tg угла наклона aкасательной в любой точке влагоотдачи.
Максимальное значение скорости сушки наблюдается во втором периоде, когда угол aнаибольший. При равновесной влажности Uр угол a = 0, а следовательно, и скорость сушки тоже равна 0.
Раскроем сущность понятия критическое влагосодержание материала. Как было отмечено ранее, в этот момент прекращается усадка, и завершаются процессы структурообразования. В материале образуются поры и капилляры. Усадка идёт только до какого-то определённого влагосодержания. Поэтому устанавливали влагосодержание, при котором усадка в материале заканчивалась. Это влагосодержание для каждого материала своё и называется критическим. Существует мнение, что после достижения критического влагосодержания материал можно сушить как угодно быстро. Но практика показала, что в некоторых случаях он всё-таки растрескивается. Причина такого поведения материала объясняется тем, что критическое влагосодержание для одного и того же материала непостоянно и зависит от режимов сушки. Например, примем за исходное критическое влагосодержание значение Uкр, полученное опытным путём. При более быстрой сушке критическое влагосодержание уже будет другим Uкр*, станет выше, т.е. Uкр*> Uкр. При более медленной сушке критическое влагосодержание для этого же материала Uкр** станет меньше Uкр, т.е. Uкр**< Uкр. Эту зависимость необходимо учитывать, назначая режимы сушки изделий.
Усадка и деформации, возникающие в процессе сушки
При сушке керамических и некоторых теплоизоляционных материалов происходит удаление влаги, частицы материала сближаются, и общие размеры изделия сокращаются. Для многих материалов объёмная усадка подчиняется линейному закону. Зависимость между объёмом тела V и его влагосодержанием U выражается формулой
V = V0 (1 + bV U), (1)
где bV = d V / V0 dU – коэффициент объёмной усадки.
В капиллярно-пористых коллоидных телах линейная усадка подчиняется линейному закону
L = L0 (1 + bL U), (2)
где bL = d L / L0 dU – коэффициент линейной усадки, характеризующий интенсивность изменения линейных размеров материала.
Усадка зависит от молекулярной структуры вещества и от видов связи влаги с материалом. Ввиду разного влагосодержания по сечению усадка в материале будет различной, что приводит к развитию объёмно-напряжённого состояния и к растрескиванию. Для объяснения механизма возникновения объёмно-напряжённого состояния рассмотрим сушку изделия в виде пластины длиной L0
Пусть сушка пластины происходит только с двух сторон, остальные поверхности пластины влагоизолированы.