Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Физические основы процесса сушки форм и стержней

05.11.2018

Тепловой процесс освобождения материалов от содержащейся в них влаги путем испарения называется сушкой. При сушке форм и стержней протекают три основных процесса:

1) испарение влаги с поверхности формы (стержня), сопровождаемое поглощением теплоты;

2) перемещение образующегося на поверхности материала пара в окружающую среду;

3) перемещение влаги внутри формы (стержня) от центральных слоев к поверхности испарения.

Интенсивность процесса испарения влаги с поверхности зависит от разности парциальных давлений пара на поверхности материала и в окружающей среде. Чем больше эта разность, тем энергичнее протекает испарение. Количество испаряющейся с поверхности влаги m, кг/(м2 * с), определяется следующей формулой:

где b - коэффициент испарения, кг/(м2 * кПа * с);

рп - парциальное давление водяных паров на поверхности испарения, кПа;

ргаз - парциальное давление водяных паров в окружающей среде (в сушильном агенте - газе), кПа.

Коэффициент испарения b зависит от многих факторов, в первую очередь от характера и скорости движения сушильного агента; его значение увеличивается при переходе от ламинарного движения сушильного агента к турбулентному. Движение сушильного агента в сушилах может быть естественным и искусственным. Искусственное, вынужденное движение сушильного агента осуществляется при помощи специальных вентиляторов и других устройств. При искусственном режиме сушки характер движения сушильного агента, как правило, турбулентный. Скорость сушки в сушилах с искусственным движением значительно выше, чем в сушилах с естественным движением, поэтому в литейных цехах используют сушила с искусственным движением сушильного агента. Так как испарение сопровождается поглощением теплоты, его интенсивность также зависит от теплового потока, направленного на поверхность испарения материала.

Благодаря испарению влаги ее концентрация на поверхности уменьшается. При этом создается разность концентраций влаги на поверхности и в центральных слоях материала, что обусловливает непрерывное движение влаги от центра к поверхности.

Теплота к нагреваемому материалу может передаваться тремя способами: конвекцией, излучением и теплопроводностью. По способу передачи теплоты процесс сушки подразделяется на три вида:

1. Конвективная сушка. Теплота от сушильного агента передается за счет конвекции (горячий воздух, продукты горения топлива и т. д.) к поверхности нагреваемого материала. Сушильный агент может омывать высушиваемое изделие или фильтроваться через него, так как формы и стержни, изготовленные из песчаных смесей, имеют открытые, незамкнутые поры, обеспечивающие их газопроницаемость. Пористость уплотненных различными способами формовочных смесей колеблется от 20 до 50 %. Уплотненная смесь имеет широкий спектр значений газопроницаемости. Так, газопроницаемость смесей на основе кварцевых песков составляет от 50 до 500 ед., а специальных смесей на основе мелкодисперсных материалов - от 1 до 50 ед. Омывая высушиваемый материал или фильтруясь через него, сушильный агент нагревает его и одновременно насыщается парами воды, образующимися при сушке.

2. Радиационная сушка. Теплота к поверхности материала передается за счет излучения от нагретых поверхностей. Максимальная глубина проникновения инфракрасных лучей зависит от свойств материала. Для кварцевого песка она составляет около 5 мм. Ввиду малой пропускной способности песка для инфракрасного излучения передача тепла в нижележащие слои осуществляется за счет теплопроводности. В литейном производстве радиационная сушка нашла ограниченное применение.

3. Контактная сушка. Теплота передается в результате соприкосновения поверхности материала с нагретой поверхностью. Этот вид сушки является одним из основных при изготовлении форм и стержней по нагреваемой оснастке.

Существует комбинированный радиационно-конвективный вид сушки. Применяют и электрические способы: сушку токами высокой частоты (ТВЧ) и контактную электросушку. Сущность сушки диэлектриков ТВЧ заключается в том, что колебания ТВЧ вызывают нагрев материала. При контактной электросушке через изделие пропускают электрический ток. В результате сопротивления, оказываемого изделием при прохождении тока, в нем выделяется теплота.

Движение влаги внутри материала имеет место только в том случае, если есть разность влажности или температур внутри материала. Соответственно перемещение влаги происходит за счет влагопроводности и термовлагопроводности.

Влагопроводностью называется процесс перемещения влаги за счет разности влажностей (концентраций влаги) внутри материала.

Термовлагопроводность - это процесс перемещения влаги под действием разности температур внутри материала. За счет влагопроводности влага по порам материала перемещается от мест с большей влажностью к местам с меньшей влажностью или к границе испарения. На границе испарения влажность уменьшается, пары переходят к сушильному агенту или в окружающую среду.

При нагреве материала в нем возникает разность температур, вследствие которой появляется разность давлений в капиллярах материала. В этом случае перемещение влаги направлено от более нагретых мест к менее нагретым. Когда материал нагревается с поверхности, влага благодаря влагопроводности перемещается к поверхности материала; при этом термовлагопроводность препятствует перемещению влаги. Наоборот, при электросушке температура центра всегда выше температуры поверхности, на которой теплота расходуется на испарение в окружающую среду, при этом термовлагопроводностъ способствует перемещению влаги к поверхности и повышает скорость сушки.

В общем количество испаряющейся влаги т (интенсивность сушки) определяется формулой

где k - коэффициент влагопроводности, м2 * с;

p0 - плотность абсолютно сухого материала, кг/м3;

AW/An - градиент влажности;

b - коэффициент термовлагопроводности, или отношение массы влаги к массе сухого материала на один градус, кг вл./(кг с. м * К);

At/An - градиент температур.

Из приведенной формулы видно, что термовлагопроводность может как способствовать, так и противодействовать процессу сушки. Коэффициенты k и b зависят от свойств материала, его температуры, влажности и изменяются в процессе сушки. Влияние термовлагопроводности в общем незначительно, но тем не менее иногда она играет определенную роль в процессе сушки.

На рис. 7.89 отражены изменения интенсивности сушки m, влажности W (%) и температуры поверхности tп в различные периоды сушки. Сушка протекает в три периода: I - прогрев, II - постоянная скорость сушки, III - снижение скорости сушки.

Период I характеризуется повышением температуры и интенсивности сушки. В периоде II интенсивность сушки постоянна. Температура поверхности также практически постоянна, вследствие чего tп = const.

Влагопроводность в периоде II является величиной постоянной и определяет интенсивность сушки. Термовлагопроводность в этих условиях равна нулю.

В периоде III по мере прогрева поверхностных слоев материала граница испарения перемещается внутрь. Интенсивность сушки и влажность материала падают. Температура поверхности возрастает. Она определяется, с одной стороны, влагопроводностью и термовлагопроводностью, с другой - интенсивностью подвода теплоты к границе испарения с момента, когда эта граница начинает перемещаться внутрь. Влагопроводность остается практически постоянной. Объясняется это тем, что с понижением влажности материала влагопроводность уменьшается, а с повышением температуры - увеличивается. Эти два явления компенсируют друг друга. В то же время термовлагопроводность возрастает и противодействует перемещению влаги к границе испарения. В этом случае градиенты влажности и температуры имеют разноименные знаки. Одновременно уменьшается подвод теплоты из-за увеличения просушенного слоя. В результате указанных процессов интенсивность сушки падает.

Таким образом, интенсивность сушки находится в сложной зависимости от многих факторов, поэтому в каждом конкретном случае устанавливается свой определенный режим сушки.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: