1  Кривая влагосодержания (влагоотдача); 2  кривая скорости сушки; 3  кривая температуры материала; 4  температура теплоносителя

Период прогрева (первый период) характеризуется повышением температуры материала и незначительным изменением влажности. Скорость сушки при этом быстро возрастает до определенной постоянной величины. В конце периода прогрева устанавливается постоянная температура поверхности тела и тепловое равновесие между количеством теплоты, подведенной к поверхности, и поглощенной при испарении (рис. 3.1., кривая 3).

В период постоянной скорости сушки (второй период) происходит испарение влаги с поверхности материала, которая в течение этого периода остается влажной, питаясь влагой, поступающей по капиллярам из внутренних слоев. Температура также остается постоянной ввиду существующего теплового равновесия между количеством теплоты, воспринимаемой материалом и отданной на испарение влаги. Температура поверхности приближается к температуре мокрого термометра. Парциальное давление пара у поверхности равно парциальному давлению насыщенного водяного пара при температуре мокрого термометра. Происходит резкое снижение влагосодержания и усадка (сокращение размеров) изделия.

По окончании второго периода сушки влажность материала (изделия) достигает так называемого критического значения (рис. 3.1., кривая 1, точка К).

При достижении критической влажности (W_кр) усадка поверхности слоев изделий прекращается, развивается пористость материала, начинается период падающей скорости сушки.

В этом периоде сушки удаляется влага, имеющая сорбционный характер связи с материалом.

Период падающей скорости сушки (третий период) характеризуется непрерывным уменьшением влагосодержания материала и падением скорости сушки. При достижении материалом равновесной влажности (W_р) скорость сушки становится равной нулю.

В связи с уменьшением расхода теплоты на испарение влаги происходит увеличение температуры материала, которая может достигать температуры теплоносителя. Если температура материала повышается до 100С и выше, то принято считать, что материал приобретает абсолютно сухое состояние.

В третий период сушки удаляется влага, имеющая физико-химическую форму связи с материалом. Последней удаляется адсорбционная влага, причем вначале влага полимолекулярного, а затем мономолекулярного адсорбционного слоя.

Направления потоков массы в материале в различные периоды скорости сушки зависят от направления векторов градиентов.

В первый период влагосодержание и давление больше в центре материала, поэтому их градиенты направлены от поверхности к центру, а поток массы  от центра к поверхности. Температура в этом периоде выше на поверхности и, следовательно, градиент направлен от центра к поверхности, а поток массы  наоборот. Принимая потоки влаги от центра к поверхности (т.е. способствующие сушке) положительными, а препятствующие сушке  отрицательными, выражение потока влаги в первый период сушки запишется

. (3.8)

Во втором периоде градиенты давления, влагосодержания и потоки влаги за счет этих градиентов сохраняют свое направление. Но спустя некоторое время после начала второго периода температуры центра и поверхности выравниваются. Градиент температур исчезает, и поток влаги за счет этого градиента прекращается. Тогда выражение (3.8.) принимает вид

. (3.9)

Через непродолжительное время после начала третьего периода сушки давление в центре куска материала, изделия становится незначительным и либо меняет знак (т.е. наблюдается небольшое разрежение за счет конденсации влаги из теплоносителя, проникшего в поры материала), либо вообще отсутствует, т.е. q_mp близок к нулю. Градиенты влагосодержания и температуры имеют то же направление, что и в первом периоде, и выражение (3.8.) запишется как

. (3.10)

Анализ суммарных потоков влаги по отдельным периодам позволяет на практике создавать условия по интенсификации процесса сушки.

3.3.3. Режим сушки, усадка, усадочные напряжения. Важным в организации процесса сушки является подбор оптимальных для данного материала условий: температуры, конечной влажности, скорости движения теплоносителя в отдельные периоды сушки, длительности сушки. Совокупность указанных параметров называется режимом сушки.

Под оптимальным режимом сушки понимают такой режим, при котором высокое качество высушиваемого материала, изделий достигается при предельно возможной производительности сушильной установки и параметрах теплоносителя и минимальном времени сушки.

По продолжительности цикла сушки и параметрам теплоносителя различают мягкий и резкий режимы сушки.

Мягкий режим характеризуется большой длительностью при сравнительно невысоких температуре и скорости движения теплоносителя с его повышенной относительной влажностью. При таком режиме сушат большинство керамических изделий, изготовленных из пластичных глин.

Резкий режим сушки отличается короткими сроками, повышенными температурой и скоростью движения теплоносителя и малой его влажностью. При резком режиме сушат большинство кусковых, порошкообразных материалов, суспензий, изделия строительной керамики полусухого и сухого прессования  кирпич, керамическую плитку и др. При этом конечная температура материала, достигаемая в процессе сушки, не должна превышать температуру, при которой теряются свойства материала. Так, при сушке топлива температура его не должна превышать 150200С. При большей температуре начинается возгонка летучих веществ. Глина выше 400С дегидратируется, теряя свои пластические свойства.

Наиболее ответственным периодом процесса сушки является период постоянной скорости сушки, который связан с усадкой и появлением напряжений в материале.

Различают абсолютную (l) и относительную () линейные усадки, определяемые из выражений

, м, (3.11)

, (3.12)

где l₁ и l₂ соответственно начальный и конечный размеры изделия, м. Размер изделия l и его влажность W связаны линейной зависимостью

, м, (3.13)

где l_w  линейный размер изделия при влажности W, м; l₀  линейный размер изделия после прекращения усадки (абсолютно сухого изделия), м;   коэффициент линейной усадки, показывающий уменьшение линейного размера изделия при удалении из него 1% влаги (для глин он равен примерно 0,006).

Процесс усадки заканчивается к началу третьего периода сушки, т.е. при достижении критического влагосодержания (U_кр) или критической влажности (W_кр).

Понятие критической влажности применимо к коллоидным и коллоидно-капиллярно-пористым материалам, т.к. только у них в процессе сушки наблюдаются значительные усадки.

При сушке неизбежно неравномерное распределение влажности по сечению изделия  влажность наружных слоев меньше, чем внутренних.

Для раскрытия механизма усадки рассмотрим сушку одномерной (неограниченной) глиняной пластины. В период постоянной скорости сушки влажность в ней распределяется по закону параболы. В пластине возникают напряжения, обусловленные неравномерным распределением влаги и связанным с этим неравномерным сокращением (усадкой) слоев материала (рис. 3.2.)

Рис. 3.2. Распределение влажности (W) и усадочных напряжений ()

в одномерной (неограниченной) глиняной пластине

На поверхности пластины возникают наибольшие растягивающие напряжения (_пов), которые по мере углубления внутрь пластины постепенно уменьшаются и в нейтральных поверхностях, где влажность слоя равна средней влажности (W_ср) пластины, равны нулю. Дальше, в более глубоких слоях пластины, начинают действовать сжимающие напряжения, которые достигают максимума в середине пластины (_сер).

Растягивающие напряжения на поверхности пластины могут привести к ее растрескиванию. Она не будет растрескиваться только в том случае, если возникшие за счет напряженного состояния (растягивающих и сжимающих усилий) касательные напряжения не превысят допустимые для материала пластины пределы прочности на сдвиг.

Величина возникающих напряжений в пластине пропорциональна величине W, определяемой как

, (3.14)

и коэффициенту линейной усадки () независимо от толщины пластины (s). Выражаясь иными словами, напряжения, возникающие при сушке, в любом месте изделия пропорциональны величине заторможенной (недопущенной) усадки, которые получают слои пластины относительно нейтральной поверхности.

За критерий трещинообразования, определяющий допустимый режим сушки и характеризующий возможность появления опасных напряжений и трещин во влажных керамических изделиях, принят максимально допустимый перепад влажности в середине (центре) тела (W_сер) и на его поверхности (W_пов):

, %. (3.15)

Этот критерий для каждого глинистого материала, керамической массы определяется экспериментально.

3.3.4. Основы расчета оптимального режима сушки. Из-за сложности процессов тепло- и массобмена при сушке, на которые влияют много факторов, в т.ч. технологические, все известные методики расчета являются приближенными. С них обычно начинают подбор экспериментальных режимов в лабораторных условиях. Оптимальный режим сушки предусматривает высыхание изделий в минимальные сроки без образования трещин. Поэтому расчет режима сушки заключается в определении допустимых скорости сушки и продолжительности сушки.

Поскольку процессы массобмена в разные периоды сушки различаются, то расчеты указанных параметров необходимо производить для каждого периода.

Первый период теоретически не является опасным в появлении трещин. Однако могут возникнуть условия, при которых трещины образуются. Эти условия создаются, когда на сушку направляются изделия с температурой ниже температуры точки росы теплоносителя. В таком случае на изделиях будет конденсироваться влага. Наибольшее ее количество будет конденсироваться на более массивных частях тела, а меньшее  на выступающих частях (углах, ребрах), т.к. последние нагреваются быстрее внутренних и массивных частей тела. Возникающее дополнительное увлажнение изделий снижает прочность (связность) глины. Из-за неравномерности влажности и соответствующей усадки и происходит появление трещин.

Для устранения этого явления и создания условий для быстрой безопасной скорости прогрева изделий проводят пароувлажнение керамических масс перед формованием изделий. В связи с этим создаются условия, когда все потоки влаги за счет градиентов влагосодержания, температуры и давления направлены к поверхности изделия и длительность сушки сокращается на 4050%.

В период прогрева теплоноситель должен иметь высокую относительную влажность ( = 9095%), значительные скорости и температуру, близкую к температуре паропрогретых влажных изделий.

Второй период сушки, в котором происходит усадка и возникают напряжения в изделии, приводящие к короблению и образованию трещин, является наиболее сложным для расчетов. На расчеты фактической скорости и длительности сушки будут накладывать влияние конфигурация и размеры изделия, равномерность удаления влаги, зависящая от скорости теплоносителя, и другие факторы, не поддающиеся точному учету. Поэтому скорость и длительность сушки обычно подбирают экспериментальным путем.

Для аналитического определения параметров сушки в этом периоде могут быть использованы дифференциальные уравнения тепло- и массопереноса. Их решение приводится в специальной литературе. Однако эти решения имеют общий вид и содержат функционально зависимые тепловые и массообменные характеристики, которые также определяются экспериментально или из теплового и материального балансов, что представляет собой достаточные трудности.

Исключение составляют изделия простой формы (неограниченная пластина, цилиндр, шар), для которых можно рассчитать длительность сушки аналитическим путем.

Максимальная и безопасная скорость сушки (М_макс) определяется для пластины по формуле

, кг/(м² · ч), (3.16)

где k  коэффициент потенциалопроводности, м²/ч; W_макс  максимально допустимый перепад влажности в середине и на поверхности пластины, %; ₀  объемная масса абсолютно сухой глины, кг/м³ (принимается равным 1800 кг/м³); s  толщина пластины, м.

Ели k и W_макс неизвестны, то М_макс определяется по приближенной формуле

, кг/(м² · ч), (3.17)

где М_{п макс}  приведенная максимальная скорость сушки, определяемая по зависимости

, кг/(м · ч); (3.18)

K_с  коэффициент чувствительности глины к сушке, определяемый по методу Чижского А. Ф.

(3.19)

s  толщина пластины, м; W_нач, W_кр  начальная и критическая влажность изделия, %.

По мере сушки, вследствие уменьшения влажности и увеличения прочности глины, величину М_макс увеличивают. Параметры сушильного агента в период постоянной скорости сушки определяют по величине М_макс. Находят их решением совместного уравнения внешнего и внутреннего теплообмена;

, кг/(м² · ч), (3.20)

где 1,1 коэффициент, учитывающий увеличение поверхности изделия вследствие его шероховатости; α  коэффициент теплоотдачи, кДж/(м² · ч · град); r  скрытая теплота испарения воды при температуре поверхности, кДж/кг; t_с и t_п температуры соответственно среды (теплоносителя) и поверхности (мокрого термометра), С; _п  коэффициент массообмена, 1/ч, равный _п = 0,00168 + 0,00128w; w  скорость теплоносителя, м/ч; р_п и р_с  парциальные давления водяных паров в теплоносителе и насыщенных водяных паров, кг/м², при t_п.

В уравнении (3.20) известными величинами являются М_макс, r, t_п, р_п. Величины α и _п определяются по заданной скорости теплоносителя (рекомендуемая 2,53,5 м/с).

Из уравнения (3.20) находят t_с и р_с, по которым с помощью диаграммы Рамзина находят относительную влажность теплоносителя ().

Оптимально безопасная длительность периода постоянной скорости сушки (t_пост) может быть определена по формуле

, С, (3.21)

где s  толщина пластины, м; (W_нач  W_кон)  разность между начальной и конечной влажностью, %; k_с  коэффициент чувствительности глины к сушке, определяемый по формуле (3.19); W_макс  максимально допустимый перепад влажности, определяемый по формуле (3.16) или (3.17).

В период падающей скорости сушки ее величина не лимитируется и поэтому длительность этого периода может быть сокращена за счет подъема температуры теплоносителя до максимальной.

При условии постоянства параметров теплоносителя продолжительность третьего периода сушки (t_пад) может быть рассчитана по формуле

, с, (3.22)

где m₁  интенсивность сушки в конце периода постоянной скорости сушки, кг/(м² · с); W_кон  средняя конечная влажность, до которой высушивается изделие, %.

3.3.5. Способы сушки силикатных материалов и изделий. По способу подвода теплоты к материалу и по характеру его тепло- и массообмена различают следующие виды сушки: с конвективным подводом теплоты к материалу; c радиационным нагревом; сушку материала в поле токов высокой частоты; методом контакта материала с электронагревателем; с применением сброса давления; комбинированные методы с применением при сушке различных способов подвода теплоты к материалу, в том числе с наложением электрических явлений.

При конвективном способе сушки влага испаряется за счет теплоты, передаваемой материалу соприкосновением от движущегося в сушилке потока нагретых сушильных агентов (воздуха или дымовых газов). С увеличением скорости потока и интенсивности конвективного теплообмена скорость сушки возрастает. Интенсивной является сушка сыпучих материалов во взвешенном и псевдоожиженном состоянии.

Благодаря своей простоте и возможности рационального использования отходящей теплоты обжигательных печей конвективный способ сушки широко распространен в керамической промышленности.

При радиационном нагреве высушиваемых изделий испарение влаги происходит за счет теплоты, сообщаемой материалу излучением от нагретых поверхностей (по закону СтефанаБольцмана).

При облучении температура поверхности материала повышается по сравнению с температурой мокрого термометра, в результате чего возникает перепад парциальных давлений пара у поверхности материала и в окружающей среде, повышающий скорость сушки изделий. Вследствие эффекта термовлагопроводности в начале облучения перепад влажностей по толщине тела достигает максимума, что объясняется интенсивным испарением влаги с поверхности материала.

Особенностью радиационной сушки является проникание инфракрасных лучей на некоторую глубину материала. Это явление эффективно используется при сушке тонких керамических изделий (скорость сушки их может быть увеличена в 10 и более раз).

При сушке в поле токов высокой частоты тело нагревается за счет тепловых эффектов, вызванных во влажном материале воздействием соответствующего электрического поля, в котором колебания молекул отстают от колебаний тока, и диэлектрические потери молекулярного трения приводят к быстрому повышению температуры материала.

При таком способе сушки материал прогревается равномерно по всей массе. Уменьшение градиента температуры от центра к поверхности тела обусловливается испарением влаги на поверхности, в результате создаются условия перемещения влаги в направлении градиента температуры.

Величину перепада влажности в материале и интенсивность испарения можно регулировать изменением частоты поля и его мощности.

При высокочастотном методе сушки скорость нагрева материала в 3090, а скорость сушки в 1520 раз выше по сравнению с конвективным методом.

Контактная сушка применяется для влажного материала, обладающего электропроводностью. В этом случае при пропускании через материал переменного электрического тока обеспечивается равномерное тепловыделение в теле материала, необходимое при сушке крупногабаритных керамических изделий.

Радиационно-конвективный способ сушки находит широкое применение для сушки тонких керамических изделий. При этом срок сушки изделий и возможность трещинообразования сокращаются до минимума.

Высокочастотный радиационный способ сушки весьма эффективен при сушки трудносохнущих массивных изделий и изделий пластического формования. Сочетание интенсивного переноса влаги изнутри к поверхности тела за счет градиента избыточного давления пара и интенсивного испарения влаги с поверхности изделия при внешнем источнике тепловой лучистой энергии сводит перепад влажности по толщине к минимуму и обеспечивает интенсивную сушку изделий.