КИНЕТИКА СУШКИ ВЛАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Кинетикой сушки называют изменение во времени средних по объему высушиваемого материала влагосодержания и температуры.
При анализе процессов сушки и характеристики влажных материалов пользуются такими понятиями, как влажность равновесная, гигроскопическая и критическая.
При длительном пребывании материала в воздухе с постоянными параметрами с влажностью, достаточной для того, чтобы процессы сорбции закончились полностью, в материале устанавливается такая влажность, при которой давление водяного пара над материалом находится в равновесии с парциальным давлением водяного пара в окружающем воздухе; такая влажность материала называется равновесной влажностью ωр. Равновесная влажность материала является функцией относительной влажности и температуры воздуха. Теоретически равновесная влажность может быть достигнута лишь при бесконечно большой продолжительности сушки; влажность, близкая к равновесной, достигается по истечении некоторого промежутка времени.
Давление водяного пара р над материалом является функцией его равновесной влажности, и кривая, изображающая эту функцию приданной постоянной температуре, называется изотермой сорбции.
Равновесная влажность, соответствующая p/рнас=1 или φ=100%, называется гигроскопической влажностью ωг; она является границей между связанной влагой и свободной.
Основой для определения продолжительности сушки, количества испаренной влаги и теплоты на сушку являются зависимости wc = f(t) и t = f(t). Графическая зависимость wc = f(t) называется кривой сушки.
Скоростью сушки называется изменение влагосодержания в единицу времени dwc/dt. Графические зависимости dwc/dt = f(t), dwc/dt = f(wc) называются кривыми скорости сушки.
Рис. 1. Кривые сушки, скорости сушки и изменения температуры материала при конвективной сушке
На кривой сушки выделим ряд характерных периодов:
0а – участок прогрева
- температура материала увеличивается от tн до tм;
- среднее влагосодержание уменьшается от wсн до промежуточного значения;
- скорость сушки увеличивается от 0 до максимального значения N.
аб – период постоянной скорости сушки (первый период сушки)
- температура материала при мягких режимах сушки tм не изменяется в течении всего периода сушки и равна температуре мокрого термометра, а парциальное давление пара у поверхности испарения равно давлению насыщения при температуре мокрого термометра; при жестких режимах сушки, когда интенсивность сушки достаточно высока, средняя температура материала непрерывно растет;
- влагосодержание изменяется линейно и зависит от условий теплообмена межу материалом и сушильным агентом;
- скорость сушки остается постоянной.
Период постоянной скорости продолжается до критического влагосодержания wскр. При критическом влагосодержании внутридиффузионное (сопротивление переносу влаги внутри материала) и внешнедиффузионное (сопротивление переносу пара в пограничном слое) сопротивления равны.
Поэтому критическое влагосодержание – это среднеинтегральное влагосодержание, при котором на поверхности достигается гигроскопическое влагосодержание и начинается второй период сушки.
бв – участок падающей скорости сушки или второй период сушки
- температура материала непрерывно повышается, стремясь к температуре сушильного агента tс;
- влагосодержание уменьшается от критического значения до равновесного wср, при котором наступает динамическое равновесие между потоком влаги из материала за счет испарения и потоком влаги к поверхности материала из окружающей среды, количество влаги в материале остается постоянным;
- скорость сушки падает и принимает нулевое значение при достижении материалом равновесного влагосодержания.
При постоянных параметрах сушки в интервале влагосодержаний от начального до гигроскопического сохраняется постоянным не только температура, но и плотность потока влаги от его поверхности в окружающую среду. В этом случае вся теплота, подводимая к влажному материалу, расходуется только на испарение влаги:
,
где a - коэффициент теплоотдачи от сушильного агента к влажной поверхности материала; tс и tм – соответственно температуры сушильного агента и поверхности материала; r – теплота парообразованияю
В первый период сушки влажных материалов испарение влаги с его поверхности происходит так же, как со свободной поверхности воды, и подчиняется тем же законам.
Интенсивность испарения жидкости со свободной поверхности при стационарном режиме приближенно можно определить по формуле Дальтона:
, кг/(м2∙с),
где W — количество испаренной жидкости, кг; F — поверхность испарения, м2; βр — коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности парциальных давлений, кг влаги/ (м2∙с∙Па); рп — парциальное давление диффундирующего вещества над жидкой (твердой поверхностью), Па; рс — парциальное давление этого же компонента вдали от поверхности раздела фаз, Па; τ — время, с.
Для приближенных расчетов пользуются формулой:
, кг/(м2∙ч),
где w — скорость воздуха; м/с; рп и рс - в паскалях.
Количество испаренной жидкости может быть также определено по уравнению:
, кг/(м2∙с),
где βс — коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентраций диффундирующего вещества, м/с; рп и рс — концентрации диффундирующего вещества на жидкой (твердой) поверхности раздела фаз и вдали от поверхности раздела фаз, кг/м3.
Коэффициенты массоотдачи βс и βр связаны соотношением:
.
Между количеством испаренной жидкости и количеством затраченного тепла имеется следующая зависимость:
q = I r=a(tc—tп), Дж/(м2 ∙с ∙ °С).
Так как при адиабатическом испарении жидкости со свободной поверхности температура окружающей среды равняется температуре сухого термометра, а температура поверхности материала — температуре мокрого термометра, то
, кг/(м2∙с).
При конвективно-радиационной сушке α равно сумме коэффициентов конвективного и радиационного теплообмена.
В настоящее время для приближенных расчетов массообмена принимается допущение об аналогии между процессами теплообмена и массообмена. Эти допущения действительны для условий, когда в пограничном слое поля энтальпий подобны полям концентрации и коэффициент температуропроводности а равен коэффициенту диффузии D или критерий Льюиса Le = a/D. Например, уравнение теплообмена для турбулентного течения газа относительно плоской поверхности имеет вид:
;
по аналогии для массообмена
,
здесь принято am = Dc, Dc — коэффициент концентрационной диффузии паров жидкости в газовую среду.
Для смеси водяного пара и воздуха (т. е. влажного воздуха) коэффициент концентрационной диффузии Dc может быть определен по формуле
, м2/с,
где D0 — коэффициент диффузии водяного пара в воздух при 0°С, м2/с; Т — температура смеси, К; р — давление смеси при данной температуре, Па; p0 — давление при н.у.
Кривые сушки могут иметь различный вид, определяемый формой связи влаги с материалом .
Дата добавления: 2015-12-29; просмотров: 2369;