Сушка глины

Cушка керамических изделий.

План:

  1. Общие сведения
  2. Простой случай
  3. Идеальный случай
  4. Идеализированный случай
  5. Способы ускорения сушки
  6. Выводы
  7. Опыт сушки керамики методом СВЧ.

Общие сведения

Сушка вызывает усушку, уменьшение размеров изделия. В общем виде процесс представляет из себя выход свободной воды из тела изделия. При этом меняется плотность — отношение массы к объему. Неравномерность высыхания ведет к неравномерности усушки. Это приводит к напряжениям в изделии, является причиной появления трещин. Напряжения еще более усиливаются при неравномерном обжиге изделий.

Главный принцип усушки: где тонко, там рвется.

Поскольку свободная вода выходит из тела изделия только через внешнюю поверхность, то неизбежно, внешняя поверхность будет отличаться от внутренних слоев. Усушка зависит от геометрии изделия. Линейная усушка по протяженности (длинной стороне) отличается от усушки по толщине. Потому задача качественной сушки сводится к двум подзадачам:

  • стремление к уменьшению градиента плотности в изделии. Точнее, это стремление к балансу выхода воды с поверхности изделия (далее процесс Выхода) и диффузии воды из внутренних слоев к внешним слоям (далее процесс Диффузии). Дисбаланс между Выходом и Диффузией характеризует величину напряжений в изделии.
  • оптимальное распределение напряжений в изделии во время сушки, для сохранения целостности. Точнее, выбор оптимальных очагов сушки для различных форм изделий.

Простой случай

В гончарном деле баланс процессов Выхода и Диффузии в своем простейшем виде выглядит следующим образом: горшок после изготовления на гончарном круге имеет массовое содержание несвязной воды в глине около 10-15%. Это предполагает 10-15% массовую усушку изделия и уменьшение геометрических размеров изделия. Форма стенок подсказывает более интенсивное испарение воды с краев стенки изделий, что вызывает напряжение в середине граней, середине стенок. Для уменьшения напряжений, гончар может воспользоваться пленкой и снизить испарение с краев изделия. Сушка оптимальнее происходит в темном закрытом помещении — конвекция, солнечное излучение и суточный перепад температур (влажности воздуха) минимизированы.

Это означает, что простой путь достижения сбалансированности между Выходом и Диффузией — это торможение процесса Выхода. Лимитирующий фактор — неуправляемая диффузия в глине.

Процессом Выхода управляют:

  • влажность воздуха,
  • разность температур изделие-атмосфера,
  • теплообмен излучением (солнечным светом), конвекцией (обдув),
  • ограничение возможности испарения с внешней поверхности изделия.

Процесс Диффузии не управляется: он задан естественными, природными свойствами материала и формой изделия.

Другой идеальный случай — сушка гончарных изделий на ярком солнце. То есть, максимальное ускорение сушки, для создания линейной (градиентной) сушки, данный случай требует целенаправленного создания изделия со свойствами выдерживать напряжения.

Идеальный случай.

Идеальный случай — когда сушить не нужно. Применение сухого обожженого порошка глины. Данный случай не будет рассмотрен в рамках данной статьи.

Идеальный случай — когда сушка длится бесконечно. Интенсивность диффузии приближена к интенсивности выхода. Данный случай не будет рассмотрен.

Идеальным случаем можно предполагать сушку, когда внутренние напряжения в изделии не вызывают нарушений целостности. Напряжений нет. Либо напряжения есть, но целостность сохраняется.

Напряжений нет. максимальные напряжения появляется в наружных слоях из-за давления изнутри.
Вариант0: необходимо ввести компенсаторы давления во внутренние слои. Значит во внутренних слоях нужны пустоты или упругие материалы.

Напряжения есть, то целостность сохраняется. Напряжения не превышают предельную величину.
Вариант1: Влажность уменьшается в первую очередь во внутренних слоях, и заканчивается во внешних слоях. Это означает, что процесс Диффузии должен опережать или подгонять процесс Выхода.
Вариант2: Неравномерная градиентная сушка от определенного очага, с сохранением целостности изделия.

Идеализированный случай.

Вариант0: внутренние слои изделия содержат компенсаторы давления. Например, шарики пенопласта.

Вариант1: Максимально быстрый процесс Диффузия с подстройкой интенсивности процесса Выхода.
На Диффузию можно повлиять через увеличение внутренней энергии материй, участвующих в процессе. Согласно Первому началу Термодинамики, внутренняя энергия — это сумма совершаемой телом работы и энергии полученной из вне. Изделие работу не совершает, а значит остается воздействовать на него энергией. В общем случае: изменение термодинамического состояния (давления и температуры), получение энергии извне (излучением или теплопроводностью). Я не упоминаю здесь изменение объема и внутреннюю конвекцию вещества, потому что объект не является газом, не подвержен этим воздействиям.

Вариант2: экспериментально подобранная градиентная сушка изделия. Максимальный градиент плотности возникает между центром плоскости и переферией плоскости. Между серединой стенки и внешней границей стенки, между толстой стенкой и тонкой стенкой. Главный принцип — где тонко, там рвется.

Максимальный градиент для различных форм изделий:
Для формы «блин» — между переферией и центром.
Для формы «квадратный блин» — между серединами сторон квадрата и центром квадрата.
Для формы «куб» — между центром куба и серединой ребер. А так же между серединой грани и ребрами этой грани.
Для формы «кирпич» — между центром кирпича и серединой длинных ребер. А так же между серединами больших граней и длинными ребрами.
Для формы «горшок» — между дном и серединой утолщения основания (перехода дна в стенки). А так же между кромкой стенки и утолщением основания.
Для формы «шар» — радиальное растрескивание от внешней границы к центру шара.
Оптимальная градиентная сушка — сушка в направлении градиента плотности от меньшей плотности (большей влажности) к большей плотности (меньшей влажности). В общем случае, от центров масс изделия к переферии.

Варианты ускорения диффузии:

Задача — максимально быстрая сушка изделий.
Время сушки пропорционально эффективности Диффузии. Если ускорить диффузию, то состояние баланса между Выходом и Диффузией окажется более интенсивным.

1. вести процесс на повышенной температуре. Лимитирующий фактор — температура кипения воды. Из-за фазового перехода воды возможно взрывное расширение. Увеличив давление атмосферы, можно поднять температуру кипения. Торможение Выхода можно проводить увеличивая влажность атмосферы. Выход воды останавливается при 100% влажности воздуха. Выход максимален при 0% влажности воздуха. Ненулевой Выход при 100% влажности возможен при остывании атмосферы со 100% сопровождающийся выпадением водяного конденсата.

Важный параметр — равномерность нагрева. Нагрев — это поглощение телом энергии из вне. Энергия есть волна. Различные тела поглощают энергию разной частоты с разной эффективностью, отражают энергию разной частоты с разной эффективностью.
800 — 30000ТГц: Увеличение частоты увеличивает энергию излучения и улучшает проникающую способность, вплоть до полной прозрачности твердых тел (лучи Рентгена, гамма-излучение).
Уменьшение частоты уменьшает энергию излучения, является прозрачным для твердых тел и имеет различную интенсивность поглощения.
200 — 800 ТГц: Оптический спектр волн имеет слабую проникающую способность, вызывает нагрев внешней границы тела. Включает в себя тепловой нагрев (инфракрасные волны), лимитирующий фактор теплопроводность изделия.
300ГГц — 300ТГц:терагерцовое излучение, диэлектрики в основном прозрачны для терагерцового излучения, проводники в основном поглощают данное излучение. Не подходит для сушки керамики и для нагрева воды.
1ГГц — 300ГГц: сверхвысокочастотное излучение, данный диапазон включает частоту 2,45ГГц — частоту резонансного поглощения волны атомами воды. Излучение на частоте 2,45ГГц эффективно нагревает воду.
20кГц — 1ГГц: радиоволны без диапазона СВЧ. В общем случае с уменьшением частоты увеличивается проникающая способность, уменьшается поглощение, падает эффективность воздействия, уменьшается энергия излучения. Начинает проявляется воздействие на вязкостные свойства некоторых веществ.
20Гц — 20кГц: акустический диапазон. Не обладает достаточной энергией для теплового воздействия, однако влияет на вязкостные свойства некоторых веществ.

Важно отметить, что высокочастотный нагрев происходит во внутренних слоях эффективнее, чем во внешних, из -за меньшего количества влаги на переферии. инфракрасный и конвекционный нагрев происходит эффективнее на внешних слоях. Совмещение этих двух методов даст наиболее равномерный нагрев изделия.

Выводы из вышенаписанного:

Для компенсации деформации от сушки можно использовать модификаторы материала изделий.
Для равномерного нагрева во время сушки эффективно излучение на высокой частоте, особенно выделяется резонансная частота воды 2,45ГГц.
Необходимо поддержание температуры ниже температуры кипения воды для предотвращения взрывного фазового перехода.
Выход воды и уменьшение высыхания внешней границы изделия можно регулировать через влажности атмосферы и отбор/обратное испарение конденсата.
Изменение давления в камере сушки изменит температурные условия (температуру кипения воды, относительную влажность атмосферы).

Опыт сушки керамики методом СВЧ.

Опыт поставлен в январе 2017 года.
3 образца по 100гр каждый в форме «плошка». Влажность 15% от массы изделий (по результатам естественной сушки контрольного 4го образца). Нагреватель — бытовая микроволновая печь мощностью 1кВт. Применена буферная жидкость 100гр в стеклянном стакане, для улучшения поглощения излучения в камере. Позволяет вести контроль температуры нагрева, повышает общую влажность воздуха в камере, бережет магнетрон.

Расчет технологии:
масса несвязной воды в образце = 15г.
Необходимое тепло для нагрева буферной емкости и образца ниже температуры 100С + энергия испарения несвязной воды в образце = 340кДж.
Расчетное время работы нагревателя = 5,7 минут.

1 минута работы СВЧ 1кВт эквивалентна нагреву 500гр глины с 15% воды с 25С до 100С. Не учтено повышенное поглощение излучения влагой и пониженное поглощение глиной. Потому вернее будет взрыв изделия, либо низкий КПД нагрева и повышенный износ магнетрона. Потому применение буферной жидкости в условиях эксперимента обязательно.

Для лучшего контроля над температурой использовался коэффициент мощности СВЧ 1/2 — 10 секунд работы 1кВт, 10 секунд простоя.
Эксперимент1: взрыв на 8 минуте по донышку образца из-за закипания воды. Присутствует небольшая остаточная влажность в донышке образца. Стенки сухие. Наблюдалось активное испарение влаги с поверхности образца.
Эксперимент2: точечный взрыв на 3 минуте в стенке — предположительно пузырек воздуха в образце.
Эксперимент3: успешная массовая усушка на 10% за 20 минут работы (2 минуты работы с коэффициентом 1/2, 1-5 минут простоя).

Вывод: технология допустима. Требуется прогноз поглощения излучения изделием и буфером.

Добавить комментарий