USCAREA

USCAREA

Uscarea este operatia tehnologica prin care se elimina ape din produsele fasonate introdusa initial in masa pentru a-i conferi caracteristicile reologice necesare. Eliminiarea apei se asigura prin aplicarea unui camp termic electric semifabricatului umed.

Semifabricatele rezultate in urma operatiei de fasonare au un continut de apa care poate varia intre 16-18%. Apa retinuta in produsele umede este de mai multe feluri : osmotica, capilara si adsorbita. In cursul uscarii pe masura evaporarii apei, fenomen care incepe de la suprafata produsului se creeaza un gradient de umiditate, orientat de la centru catre exterior care produce transportul apei prin masa. In sens contrar apare un gradient de temperatura care produce transmiterea caldurii spre interior.

Modul de deplasare a apei la uscare :

In functie de energia cu care este retinuta in procesul de uscare apa se poate deplasa sub forma de lichid sau de vapori. Astfel apa osmotica, ce este cel mai slab legata,migraza in stare lichida, apa capilara atat ca lichid cat si ca vapori , iar cea adsorbita, fiind cel mai putrenic legata numai in stare de vapori. De asemenea se poate deplasa atat sub influenta gradientului de umiditate, cat si a celui termic.

Sub influenta gradientului de umiditate apa osmotica difuzeara, in stare lichida din interior spre suprafata datorita diferentei de concentratie. La inceputul uscarii lichidul aflat in capilare este in stare de saturatie si presiunea capilara este minima . Prin uscare o parte din apa se evapora la suprafata, iar

capilarele sunt numai partial umplute in partea centrala formindu se goluri izolate care contin aer saturat cu vapori In aceasta situatie apa este localizata imprejurul punctelor de contact ale granulelor si formeaza o retea continua care se numeste apa legata pelicular sau apa cu aer captiv In acest caz presiunea capilara este mai mare decat a apei de saturare

Prin patrunderea aerului, apa se redistribuie in sistemul de capilare al semifabricatului. La continuturi de umiditate mai reduse apa din jurul punctelor de contact ale granulelor este mai putina si nu se mai formeaza retea continua. Apa aflata in aceasta stare de distributie se numeste apa captiva si are presiunea capilara maxima.

Fractiunea de apa care se deplaseaza sub forma de vapori se imparte in doua parti. O prima parte se evapora in atmosfera ducand la scaderea umiditatii semifabricatului. Cea de a doua parte se evapora din capilarele cu diametru mare si condenseaza in cele cu diametru mai mic. In felul acesta se creaza un curent de difuziune a vaporilor in sens invers gradientului de umiditate. Apa adsorbita migreaza prin difuzie sub forma de vapori datorita gradientului de concentratie. Totusi trebuie remarcat ca in procesul de uscare predomina deplasarea sub intluenta gradientului de umiditate ceea ce este avantajos din punct de vedere tehnic.

Miscarea apei in piesele argiloase este in mod natural restrictionata de dimensiunea si forma sistemului de pori , care la randu-i este guvernat de proprietatile fizice ale masei . Daca viteza de evaporare de pe suprafata depaseste pe aceea de difuzie dinspre interior vor surveni deteriorari , craparea suprafetei . Uscarea prematura a suprafetei este cunoscuta ca si ,,calirea suprafetei'' .

Este clar ca viteza de difuzie este critica , si pentru a obtine rezultate trebuie controlata riguros. Viteza de difuzie a apei este o functie de temperatura si de caracteristica de difuzie a masei . O uscare sigura depinde de mentinerea vitezei de evaporare de la suprafata egala cu cea de difuzie .

In figura urmatoare este prezentat fenomenul de calire a ,,suprafetei'' :

In mod esential , trei factori determina succesul uscarii :

circulatia aerului

controlul temperaturii

controlul umiditatii

Curentul de aer unidirectional va insemna in mod normal contact numai pe suprafata "spalata" de curentul de aer. Cu un produs rectangular, un rezervor de exemplu, numai o latura din sase este pe deplin expusa curentului de aer. Rezistenta naturala a suprafetei poate fi invinsa numai pe acea latura, toate celelalte laturi ajungindu-se numai partial a fi deservite, curentul de aer trecand doar paralel cu aceste supratete. Contactul neuniform al aerului cu produsul cauzeaza unele, daca nu chiar toate din problemele urmatoare:

a) Uscarea neuniforma - aceste suprafete situate in curentul efectiv de aer primesc o proportie ridicata de energie si se vor usca mult mai repede decat alte suprafete.

b) Deformare - acolo unde are loc contractia produsului, suprafata expusa curentului de aer se contracta mai intai, cauzand deformare.

c)  Ciclu lung - acolo unde are loc contractia structura poroasa se va inchide iacetinind trecerea vaporilor de apa. O sensibila cantitate de caldura cedata unei parti mici de suprafata creste distanta de migrare a caldurii prin conductie, aceasta incetinind procesut de uscare.

d) Calirea superficiala - Suprafetele, contractindu-se previn eliberarea vaporilor de apa din produs, lasind o masa umeda sub crusta.

Diferentele aparute intre uscarea unidirectionala si cea multidirectionala sunt ilustrate in figura urmatoare :

Prin cresterea temperaturii este accelerat procesul de uscare prin cresterea vitezei de uscare .Cei mai importanti factori ce influenteaza viteza de uscare sunt :

natura materialului supus uscarii , exprimata prin compozitie, structura si modul de legare a umiditatii

forma si dimensiunile materialului care se usuca

umiditatea initiala a materialului si umiditatea finala ce trebuie realizata

caracteristicile agentului de uscare

particularitatile sistemului de uscare

Variatia vitezei de uscare pe parcursul uscarii este evidentiata in curba de uscare a unui material capilaro-poros :

Intr-o prima etapa variatia umiditatii in timp este liniara , viteza de uscare este constanta , iar a doua etapa este descrisa de o curba continuu descrescatoare pina la anulare . Trecerea de la o perioada la alta corespunde unei valori caracteristice a umiditatii materialului - primul punct critic pe curba vitezei de uscare . Al doilea punct de inflexiune apare in unele cazuri in perioada de viteza descrescatoare cand variatia acesteia are loc dupa legi diferite, pentru materiale diferite .

Comportarea materialelor umede in timpul uscarii :

Contractia la uscare

Masele ceramice nu se contracta pe toata durata procesului de uscare , ci numai pe perioada de viteza constanta a uscarii astfel incat contractia inceteaza la atingerea umiditatii critice .In perioada cand are loc contractia aceasta are loc dupa o lege liniara . Contractia este reprezentata de micsorarea dimensiunilor obiectului fasonat ca urmare a eliminarii apei pe care o contine .Dupa incetarea contractiei apa se elimina in continuare cu formare de pori . Variatiile de volum in procesul de uscare sunt reprezentate in figura urmatoare :

 

Factori care influenteaza contractia la uscare :

degresantii - scad contractia la uscare

natura argilei - contractia creste cu cresterea finetii acesteia

umiditatea initiala a masei - contractia creste cu continutul initial de apa

temperatura la care are loc procesul - pana la cca.65sC contractia creste cu temperatura , peste aceasta valoare scade

modul de fasonare - turnarea conduce la o contractie mai mare la uscare

O curba de uscare optima arata in felul urmator :

Contractia la uscare se afla in stransa lagatura cu forta de sugere a capilarelor . Aceasta din urma depinde de A -aria capilerelor disponibile la umectare , V-volumul lichidului absorbit datorita tensiunii superficiale - σ si de unghiul Θ de umectare solid/lichid . Energia consumata pe unitatea de volum de lichid este :

E/V = A* σ *cos Θ /V

Forta de sugere F = p*A , unde p - presiunea capilara

A/V = 2/r , unde r-raza capilarului

A = π *r²  ; p = E/V

De unde forta de sugere are urmatoarea expresie :

F_σ=2 π r * σ cos Θ

Sensibilitatea la uscare

Prin sensibilitatea la uscare a maselor ceramice trebuie sa se inteleaga tendinta de a forma crapaturi la uscare . La masele cu sensibilitate mare crapaturile apar la vitezemai mici de uscare decat la masele cu sensibilitate mica .

Sensibilitatea la uscare este determinata de urmatoarele proprietati ale argilelor din masa : compozitia mineralogica, contractia la uscare, plasticitatea, volumul porilor, gradul de dispersie a particulelor de argila si cantitatea de ioni alcalini de pe suprafata particulelor de argila .

O serie de cercetatori au propus diferita criterii de apreciere sau masurare a sensibilitatii la uscare :

Ackerman si colaboratorii propune drept criteriu de apreciere a sensibilitatii la uscare valoarea asa-numitei rezistente la fisurare definita prin :

F = D x R_i , unde D - coeficient de difuzie a umiditatii (experimental)

R_i - rezistenta la incovoiere

Produsele greu figurabile trebuie sa se caracterizeze prin F > 380j/h

In functie de granulozitatea argilelor , s-au delimitat domeniile corespunzatoare carora nu exista pericol de fisurare :

Se observa ca domeniul masurat fara pericol de fisurare este relativ restrans .

A.F.Cijski recomanda sa se determine coeficientul de sensibilitate a argilelor la uscare k_u cu ajutorul relatiei :

k_u = (W_i - W_c)/W_c

unde W_i - W_c = diferenta dintre umiditatea initiala si umiditatea critica a probei , care reprezinta cantitatea de apa de contractie

W_c = umiditatea critica la care se termina contractia

Lippmann propune masurarea sensibilitatii la uscare pe o proba de 1x3x5 cm cu umiditatea 28,5% inchisa intr-un exicator la 80sC astfel conceput incat o fata a probei sa fie in contact cu o atmosfera cu umiditatea de 100% , iar cealalta sub un ventilator .

Muller utilizeaza o metoda asemanatoare , insa pe o instalatie diferita si cu o pozitionare inclinata sub un anumit unghi a probei de analizat . el a studiat distributia umiditatii in proba . a luat in considerare particulele sub 5 μm .

Biehl propune pentru aprecierea sensibilitatii la uscare calcularea raportului :

Diferenta de umiditate maxima x Contractia liniara maxima

/Umiditatea critica

Hartmann masoara ca si Lipmann gradul de uscare a uneia din fetele probei rectangulare etansata pe lungul ei   prin aplicarea unui invelis de plastic elastic . Astfel uscarea afecteaza doar fata libera . Apoi a trasat o curba a umiditatilor in diferite sectiuni ale tijei (probei)

Varlamov a studiat sensibilitatea la uscare cu ajutorul masuratorilor termogravimetrice .

Niesper a studiat legatura intre marimea particulelor si sensibilitatea la uscare . A investigat dependenta dintre particulele sub 2 μm si contractia liniara si a stabilit o relatie intre cele doua variabile :

Fractiunea < 2 μm [%] = 4,4 * contractia liniara [%]

Pukall recomanda luarea in considerare pentru aprecierea sensibilitatii la uscare a fortei de suctiune a capilarelor . El ofera si o formula de calcul a acestei forte : KAP = h_m x h_s / t_s

KAP = forta capilara

h_m = inaltimea maxima de urcare a apei in capilar

h_u = latimea la jumatatea inaltimii

t_s = timpul necesar umplerii capilarului

Schwiete apreciaza sensibilitatea la uscare pe baza factorului de rezistenta la rupere si a coeficientului de difuzie .

Nossowa cerceteaza volumul porilor dupa terminarea procesului de uscare in functie de greutatile si volumele initiale si finale ale probelor supuse uscarii . El face o impartire a materialelor in 3 categorii : cu sensibilitate la uscare scazuta, medie si inalta .

Fichtner a combinat metodele Muller si Balduin si a definit sensibilitatea la uscare T_R intr-o forma numerica :

T_R = diferenta maxima de umiditate x umiditatea pierduta / umiditatea reportata la specimen si unitatea de timp

Bigot recomanda pentru aprecierea sensibilitatii la uscarii curba care ii poarta numele si care reprezinta dependenta contractiei liniare fata de umiditatea probei pe parcursul procesului de uscare .

In procesul de uscare caldura se poate transmite de la sursa la obiectul supus arderii in doua moduri : prin convectie si prin radiatie . In cazul produselor sanitare se recurge de obicei la uscarea prin convectie care consta in circularea agentului de uscare printre produsele umede pe care le incalzeste si le preia umiditatea . Uscarea cu aer cald se poate face intr-o singura etapa cu circulatia aerului de uscare in echicurent , contracurent sau incrucisat . Aceasta metoda se aplica la produsele putin sensibile la uscare . Uscarea in mai multe trepte se aplica atunci cand se urmareste utilizarea unui agent de uscare cu temperatura si umiditate foarte apropiata de a produsului , de aceea acesta trebuie incalzit in mai multe trepte .