Для сушильної практики велике значення має адіабатичний процес випару з вільної поверхні рідини, подібний із процесом випару з поверхні вологого матеріалу в початковий період сушіння.

Після досягнення рівноваги між вологим повітрям і вологою, що випаровується, температура останньої прийме постійне значення, рівне температурі мокрого термометра t_м. Сталу температуру мокрого термометра, що прийме повітря наприкінці процесу насичення, називають температурою адіабатичного насичення. Якщо t_м> 0, то випаровувана волога, що надходить у повітря, W вносить у нього деяку кількість тепла W×с×t_м, тому адіабатичний процес охолодження повітря в цьому випадку відбувається з підвищенням його ентальпії (I₂ >I₁).

Рисунок 2. Процес нагрівання повітря на І-x діаграмі

Рисунок 3. Процес охолодження повітря в I-x діаграмі

Якщо L - витрата сухого повітря на випар, то:

, (19)

. (20)

де с - теплоємність води.

Величина W/L показує збільшення вологовмісту повітря в процесі його адіабатичного охолодження, рівне (х_м- х₁), де х_м- вологовміст повітря при його повному насиченні вологою при t = t_м:

, при . (21)

Це рівняння служить для нанесення на I-x діаграму ліній постійної температури t_м= const (лінії постійної температури адіабатичного насичення).

Зміна стану повітря (температури, вологовмісту і відносної вологості) при адіабатичному процесі випару вологи з вільної поверхні рідини відбувається по лінії t_м= const. (рисунок 3).

Різниця між температурою повітря t_в і температурою мокрого термометра t_м характеризує здатність повітря поглинати вологу з матеріалу і зветься потенціалом сушіння e:

. (22)

Потенціал сушіння характеризує швидкість випару вологи з матеріалу, що залежить від стану повітря і температури процесу, тобто визначається спільним впливом тепло- і масообміну. Коли повітря цілком насичується вологою (t_в= t_м), величина e стає рівної нулю.

Рівновага при сушінні

Якщо матеріал знаходиться в контакті з вологим повітрям, то принципово можливі два процеси:

сушіння (десорбція вологи з матеріалу) при парціальному тиску пари над поверхнею матеріалу Р_м, що перевищує його парціальний тиск у повітрі чи газі Р_п, тобто при Р_м >Р_п;
зволоження (сорбція вологи матеріалом) при Р_м<Р_п.

У процесі сушіння величина Р_м зменшується і наближається до межі Р_м= Р_п. При цьому настає стан динамічної рівноваги, якому відповідає гранична вологість матеріалу, називана рівноважною вологістю – w_р.

Вона залежить від парціального тиску водяної пари над матеріалом Р_п чи пропорційної йому величини відносної вологості повітря j і визначається дослідним шляхом.

Форми зв'язку вологи з матеріалом

Класифікація форм зв'язку вологи з матеріалом (по П.А.Ребиндеру):

хімічна;
фізико-хімічна;
фізико-механічна.

Хімічно зв'язана волога найбільш міцно з'єднана з матеріалом і може бути вилучена тільки при нагріванні матеріалу до високих температур чи у результаті проведення хімічної реакції. Ця волога не може бути вилучена з матеріалу при сушінні.

У процесі сушіння видаляється волога, зв'язана з матеріалом фізико-хімічним чи механічним шляхом. Найбільш легко видаляється механічно зв'язана волога, що підрозділяється на вологу макрокапілярів і мікрокапілярів (капілярів із середнім радіусом приблизно більше і менше 10^-5см). Волога макрокапілярів вільно видаляється не тільки сушінням, але і механічними способами.

Фізико-хімічний зв'язок поєднує два види вологи, що відрізняються міцністю зв'язку з матеріалом:

- адсорбційно зв`язана волога;

- осмотично зв`язана волога.

Перша міцно утримується на поверхні й у порах матеріалу.

Осмотично зв`язана волога, називається також вологою набрякання, знаходиться усередині кліток матеріалу й утримується осмотичними силами.

Стосовно до процесу сушіння вологу класифікують на:

- вільну

- зв'язану.

Під вільною, розуміють вологу, швидкість випару якої з матеріалу дорівнює швидкості випару води з вільної поверхні. Отже, при наявності вільної вологи Р_м= Р_н, де Р_н – тиск насиченої пари води над її вільною поверхнею.

Під зв'язаною розуміють вологу, швидкість випару якої з матеріалу менше швидкості випару води з вільної поверхні Р_м< Рн.

Вологість матеріалу і зміна його стану в процесі сушіння

Вологість матеріалу може бути розрахована відносно його загальної кількості G чи кількості абсолютно сухої речовини G_c, що знаходиться в ньому, причому:

(23)

G_вл – кількість вологи, що міститься в матеріалі.

Вологість, віднесена до загальної кількості матеріалу (у %):

. (24)

Вологість, віднесена до кількості абсолютно сухого матеріалу:

. (25)

Кількість абсолютно сухого матеріалу не міняється в процесі сушіння, і для спрощення розрахунків звичайно користаються величинами w^с. Вологість, віднесена до кількості абсолютно сухого матеріалу w^с, і вологість, розрахована на його загальну кількість w, зв'язані між собою залежністю:

, (26)

чи

. (27)

Розглянемо зміну стану матеріалу в процесі сушіння.

При зміні вологості від w₁ до w_г матеріал містить вільну вологу (Р_м= Р_н) і знаходиться у вологому стані. При зміні вологості від w_м до w_р матеріал містить зв'язану вологу (Р_м<Р_н) і знаходиться в гігроскопічному стані. Точка А називається гігроскопічною, а відповідна їй вологість w_г – гігроскопічною вологістю. Так само як і у всій області вологого стану в точці А, що відповідає φ = 100%, Р_м= Р_н

Гігроскопічна вологість w_г знаходиться на границі вільної і зв'язаної вологи в матеріалі. Вільна волога буде видаляться з матеріалу при будь-якій відносній вологості навколишнього середовища менше 100%. Видалення зв'язаної вологи можливо лише при тій відносній вологості навколишнього середовища, який відповідає вологість матеріалу більша рівноважної. На нашому рисунку вся область, де матеріал може сушитися, заштрихована. При гігроскопічному стані матеріалу, що відповідає області над кривою рівноважної вологості, можливо тільки зволоження матеріалу, але не його сушіння.