Химически связанной водой называется вода, нахо­дящаяся в химическом соединении с отдельными элементами ке­рамической массы, так например: Аl2Оз∙2SiO2∙nH20; Са(ОН)2 и др. Удаление химически связанной воды происходит при более высоких температурах - от 500° и выше. При этом керамическая масса безвозвратно теряет свои пластические свойства.

При сушке изменяется от коагуляционных к конденсационным природа контактов между частицами твердой фазы за счет удале­ния механически и физико-химически связанной воды. Химически связанная вода в сушке не удаляется.

Простейшим видом сушки является сушка изделий на возду­хе, когда испарение влаги из материала происходит за счет теп­ловой энергии солнца. В настоящее время сушка изделий осу­ществляется за счет тепла, получаемого от специальных устано­вок.

Анализируя процессы, происходящие при сушке материалов, необходимо отметить следующее:

1) содержащаяся в материале вода при температуре 80—90оС испаряется. В этом случае имеет место поверхностное испарение или так называемая внешняя диффузия влаги;

2) при испарении влаги с поверхности материала в окружаю­щую среду влага из внутренних слоев изделия перемещается к его поверхности. Происходит так называемая внутренняя диффузия влаги.

Если в процессе сушки замерять температуры материала и окружающей среды, то обнаруживается, что температура изделия ниже температуры воздуха. Следовательно, во время сушки по­верхность твердого тела, имеющего относительно низкую темпера­туру, соприкасается с газом, нагретым до более высокой температуры. Между ними происходит теплообмен. Поэтому процесс сушки можно рассматривать как комплекс параллельно проте­кающих явлений:

а) испарения влаги с поверхности материала;

б) внутренних перемещений (диффузии) влаги в материале;

в) теплообмена между материалом и окружающей газообразной I средой.

При испарении влаги с поверхности изделий влажность по­верхностных слоев по сравнению с внутренними слоями умень­шается и возникает так называемый перепад (градиент) влажности.

Внешним показателем процесса сушки является изменение ве­са материала во времени. Графическое изображение зависимо­сти влажности материала от длительности сушки носит название кривой сушки. Характер кривой определяется влажностью и размерами изделия, способом его формования, а также темпе­ратурой, влажностью и скоростью теплоносителя. Совокупность указанных факторов определяет режим сушки. Режимом сушки называется изменение интенсивности влагоотдачи изделия путем изменения температуры, относительной влажности и скорости движения теплоносителя.

Изменение режима сушки вызывает изменение интенсив­ности влагоотдачи изделия, которая определяется количеством влаги, испаряемой с единицы поверхности высуши­ваемого изделия в единицу времени.

Интенсивность влагоотдачи измеряется в граммах на 1 м2 в час.

Режим сушки регулируют, изменяя температуру или количест­во теплоносителя, подаваемого в сушилку.

Сушка зависит от параметров окружающей среды (температу­ры, влажности и скорости движения теплоносителя), формы связи влаги с материалом, состава, структуры, влажности и температуры полуфабриката.

Различают кинетику сушки (изменение средних значений влаж­ности и температуры заготовки во времени) и ее динамику (измене­ние влажности и температуры в каждой точке заготовки). Распре­деление меняющихся во времени полей влажности и температуры в объеме изделия определяет возможность появления опасных на­пряжений и брака.

Если сушку проводят при малых перепадах температуры между полуфабрикатом и средой, малых скоростях и высокой влажности теплоносителя, то влажность полуфабриката медленно уменьша­ется от исходной w0, а температура повышается до температуры мокрого термометра tМ. Центр заготовки прогревается медленнее, чем поверхность (рис. 3.5.6). Это период прогрева полуфабриката.

На втором этапе (период постоянной скорости сушки) влаж­ность заготовки меняется по линейному закону при постоянной температуре.

После достижения критической влажности Wкp температура поверхности заготовки увеличивается, приближаясь к температуре сухого термометра tСУХ, скорость сушки уменьшается, а влажность асимптоматически приближается к равновесной Wp. Температура в объеме полуфабриката растет медленнее, чем на поверхности. Этот период называется периодом падающей скорости сушки. Ве­личина критической влажности Wкp зависит от скорости сушки, размеров и строения полуфабриката. Равновесная влажность Wp зависит от температуры и влажности в помещении. Сушить полу­фабрикат до влажности меньше Wp нецелесообразно. Обычно от­формованные заготовки сушат до влажности 2-3%, а кусковую глину - до 8-12%.

При сушке испарение воды происходит диффу­зионным путем. Движу­щей силой является раз­ность парциальных дав­лений пара у поверхности и в объеме теплоносителя. Уменьшение влажностивовнешних слоях заготовки сопровождается появле­нием градиента влажности в ее объеме, что вызывает диффузию капельножидкой воды из объема заго­товки к поверхности.

Рис. 3.5.6 Диаграмма сушки полуфабриката: I – период подогрева; II – период постоянной скорости сушки; III – период падающей скорости сушки; IV – гигроскопическое состояние; 1 – влажность; 2,2`- температура поверхности и центра; 3 – скорость сушки; 4 – градиент температуры; 5 – усадка.

При наличии градиента температуры на процесс влагопроводности накла­дывается процесс термовлагопроводностни: вода стремится переместиться в области с мень­шей температурой. Термовлагопроводность связана с уменьшением поверхностного натяжения и вязкости воды при повышении темпера­туры и движением пузырьков воздуха в капиллярах. При интенсив­ном подводе теплоты возможно испарение влаги в глубинных слоях заготовки и удалении воды по механизму паропроводности. Движу­щей силой процесса является перепад давления водяного пара.

Общий поток влаги в объеме материала или заготовки можно описать дифференциальным уравнением:

j= -Кρ (∂W/∂х) ± Кρδ (∂t/∂х) - Dρ(∂Р/∂х), (3.5.3)

где j- плотность потока влаги, равная количеству воды, проходя­щей через единичную площадь в единицу времени, кг/м2*с;

К - коэффициент влагопроводности, м2/с; δ - термоградиентный коэффициент, 1/К; D - коэффициент молекулярной диффузии пара, м2/Па*с; ρ- кажущаяся плотность твердой фазы, кг/м3; ∂W/∂x, ∂t/∂х, ∂Р/∂х - градиенты влажности, температуры и дав­ления в объеме материала.

Коэффициент влагопроводности К зависит от структуры, влаж­ности и температуры материала и увеличивается с ростом размера капилляров и частиц твердой фазы. Термоградиентный коэффици­ент δ зависит от влажности и имеет максимальное значение при критической влажности. Коэффициент молекулярной диффузии пара D увеличивается при повышении влажности и температуры.