6.2. Свойства влажных материалов как объектов сушки

Тепловая сушка представляет собой сложный теплотехнологический процесс, приводящий не только к обезвоживанию, но и, как было ска­зано выше, к существенному изменению свойств и характеристик вы­сушиваемого материала. В соответствии с задачами изучаемого курса будем в дальнейшем рассматривать только тепловой метод обезвожи­вания материалов– сушку. Под сушкой будем также понимать сово­купность тепловых и массообменных процессов, происходящих внутри влажного материала (внутренняя задача сушки) и за пределами его поверхности (внешняя задача сушки) и обеспечивающих его обезвожи­вание.

Знание свойств сушимого материала как объекта сушки позволяет выбрать рациональный метод и режим сушки, спроектировать рацио­нальную сушильную установку для, его обезвоживания. Выявление об­щих физических закономерностей в процессах переноса теплоты и мас­сы внутри влажных материалов, а также рассмотрение их структурно-механических характеристик позволило А. В. Лыкову [54] предложить классификацию сушимых материалов. Согласно этой классификации все влажные материалы делят на три группы: капиллярно-пористые, коллоидные и капиллярно-пористые коллоидные.

Капиллярно-пористые, материалы при обезвоживании практически не изменяют свои размеры. При глубоком обезвоживании и механиче­ском воздействии они могут быть превращены в дисперсные материа­лы, например обожженные керамические материалы, активированный уголь, песок и т. п. Коллоидные материалы при изменении содержания в них влаги существенно изменяют геометрические размеры, сохраняя эластичные свойства. К ним относятся, например, желатина, мучное тесто и т. д. Капиллярно-пористые коллоидные материалы имеют ка­пиллярно-пористую структуру, однако стенки капилляров, как прави­ло, эластичны, способны к набуханию при увлажнении и усыханию при обезвоживаний. Материалы этой группы обладают свойствами мате­риалов двух вышеназванных групп. Большинство влажных материалов относится к третьей группе, например торф, ткани, кожа, древесина и др. Изучение закономерностей переноса теплоты и массы при сушке типичных представителей каждой из групп позволяет качественно прог­нозировать процесс сушки принадлежащих к этой группе материалов. При сушке влага из внутренних слоев влажного материала пере­двигается к поверхности и затем испаряется в окружающую среду. На преодоление сил сцепления молекул влаги друг с другом и со скелетом материала требуются затраты энергии. Поэтому свойства влажных материалов, а также скорость процессов переноса в них зависят от форм связи влаги с материалом.

Согласно классификации П. А. Ребиндера, в основу которой положена энергия связи влаги с материалом, выделяют по порядку убывания энергии связи три формы: химическую, физико-химическую и физико-механическую. Химически связанная с ма­териалом влага образуется в точных количественных соотношениях и включает ионную (влага в виде гидроксильных ионов) и молекулярную, (в виде кристаллогидратов) вла­гу. Эти связи могут быть разрушены или в результате химической реакции, или при прокаливании. Такая влага при сушке, как правило, из материалов не удаляется, по­этому в дальнейшем нами не рассматривается. Физико-химическая влага (связь в не строго определенных количественных соотношениях) представляет собой влагу в виде адсорбированного пара из окружающей среды поверхностью в порах, пустотах и ка­пиллярах, составляющих материальный скелет вещества (адсорбционно связанная вла­га), и влагу, проникающую в материал за счет осмотического давления, вызывающего избирательную диффузию влаги из окружающей среды через полупроницаемую обо­лочку (осмотически связанная влага). Адсорбционно связанную влагу по значению энергии связи делят на влагу моно- и полимолекулярной адсорбции. Первая из них имеет физические свойства, несколько отличные от свойств обычной воды (она обладает свойствами упругого твердого тела; температура замерзания ее снижается до –70"С, плотность повышается). К осмотически связанной влаге относят и структур­ную, приобретенную при образовании и росте тела, например растительных клеток в древесине. Эта влага по своим свойствам не отличается от обычной жидкости. Фи­зико-механическая влага (влага, удерживаемая в неопределенных количествах) вклю­чает влагу, находящуюся в микро- и макрокапиллярах, порах, пустотах, а также влагу смачивания, проникающую в материал при непосредственном соприкосновении его с жидкостью.

Рис. 6.4. Классификация форм связи влаги с материалом

Микрокапиллярами называют, капилляры, в которых длина свободного пробега молекул много меньше диаметров капилляров. В них давление насыщенного пара над поверхностью мениска меньше давления насыщенного пара над открытой плоской поверхностью жидкости, поэтому возможен процесс капиллярной конденсации пара. Для нормальных условий капилляр радиусом R<10^-5 см относится к микрокапиллярам. Влага, содержащаяся в макрокапиллярах, называется свободной.

Несмотря на то что в действительности нет четкой границы между отдельными формами связи и видами влаги (одна форма может изменяться за счет другой), на рис. 6.4 показаны, схематически- формы связи и виды влаги коллоидного капиллярно-пористого тела.

Количество влаги G_вл, содержащейся в материале в расчете на едини­цу массы абсолютно сухого материала G_c, называют влагосодержанием:

в долях

; (6.1)

в процентах

; (6.2)

В сушильной технике используют иногда понятие влажности мате­риала в расчете на единицу общей массы, т. е.: в долях

; (6.3)

в процентах

; (6.4)

Так как масса абсолютно сухого материала в процессе сушки оста­ётся неизменной, то использование понятия влагосодержания предпоч­тительнее, что значительно упрощает расчеты процесса обезвоживания.