ТЕПЛО- И МАССООБМЕН ПРИ СУШКЕ

ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Сушкой называют процесс удаления влаги из твердых материалов испарением. Для удаления влаги из тела нужно затратить теплоту, количество которой зависит не только от содержания влаги в материале, а и от формы ее связи с материалом. При сушке удаляется, как правило, влага, связанная с материалом физико-химически (адсорбционно и осмотически) и механически (влага макро и микрокапилляров); химически связанная влага (кристаллогидраты, например, CaSO₄·nН₂О) не может быть удалена путем сушки. Ее можно удалить прокаливанием, что приводит к изменению структуры материала.

Цель сушки – сохранение физико химических свойств материалов, обеспечение во многих случаях сохранности материалов на продол-жительный период, а также исключение перевозки балласта. В технике наиболее распространена сушка влажных твердых материалов при их подготовке к переработке, к использованию или хранению.

Так, сушка заформованных керамических изделий повышает их прочность, что необходимо для дальнейшей обработки этих изделий при обжиге. После сушки твердого топлива повышается теплота его сгорания и облегчаются условия сжигания. Назначение сушки дре-весины – снижение влажности древесины до уровня, соответствующего условиям эксплуатации изготовленных из нее изделий, что преду-преждает изменение их размеров и формы, предохраняет древесину от загнивания, увеличивает ее прочность, снижает массу изделий, повы-шает надежность клеевых соединений и качество отделки.

При естественной сушке в отсутствие принудительного движения сушильного агента (свободное испарение) процесс идет медленно. Он ускоряется при обтекании высушиваемого материала потоком подогретого сушильного агента, т.е. при искусственной сушке. Поэтому в технике применяют, главным образом, искусственную сушку. Наиболее распространенной является конвективная сушка, когда подвод теплоты и отвод пара обеспечиваются за счет принудительного движения нагретых газов (воздуха) вблизи высушиваемого материала.

Выбор условий сушки (температура, давление, скорость движения сушильного агента и др.) зависит от физико-химических свойств высу-шиваемого материала: склонности к сокращению в объеме (дерево), по-вышению хрупкости, термостойкости и др. Важно, чтобы изделие после сушки не имело трещин и других дефектов в структуре, т.е. их структурно-механические характеристики улучшились.

Сушка твердых материалов – процесс, сопровождающийся тепло- и массообменом между сушильным агентом (воздух, топочные газы и др.) и влагой высушиваемого материала. Давление паров жидкости на поверхности твердого материала (в пограничном слое) зависит от его температуры, определяющей температуру насыщения. За температуру пограничного слоя можно принять среднеарифметическую температуру высушиваемого материала Т_м и ядра парогазовой фазы Т_ф, т.е.

Т_п =0,5(Т_м + Т_ф). (7.34)

Парциальное давление пара испаряемой жидкости в ядре парогазо-вой фазы меньше, чем у поверхности тела. Поэтому поток пара будет направлен от поверхности тела в ядро парогазовой фазы. Возникающий при этом градиент концентрации влаги в материале заставляет ее перемещаться из глубинных слоев к поверхности со скоростью, зависящей от характера связи влаги с материалом.

Для равновесного (стационарного) состояния можно записать уравнение, устанавливающее соотношение между плотностями потоков испаренной влаги М_а и подводимой к высушиваемому телу теплоты q:

q = М_аr =α(Т_ф – Т_ст), (7.35)

где r – скрытая теплота парообразования при Т_ст;

Т_ф – температура ядра парогазовой фазы;

Т_ст – температура поверхности тела;

α – коэффициент теплоотдачи от парогазовой фазы к поверхности тела.

В соответствии с (7.7) уравнение (7.35) преобразуется к виду:

rβ_р(р_п – р_о) =α(Т_ф – Т_ст), (7.36)

откуда

Т_ст = Т_ф –rβ_р (р_п – р_о)/α. (7.37)

Температуру, определенную таким образом, называют температурой мокрого термометра или адиабатного испарения. Ее показывает термометр, обернутый влажной тканью. Очевидно, что при изменении всех сомножителей второго слагаемого в правой части уравнения (7.37) будут изменяться и показания мокрого термометра.

Опытами установлено, что в результате испарения жидкости (массоперенос) увеличивается коэффициент теплоотдачи от потока к поверхности высушиваемого тела вследствие интенсивного перемеши-вания паром пограничного слоя.

Массообмен при сушке является результатом внутренней и внешней диффузии и состоит из двух процессов массоотдачи: внутреннего и внешнего. Первый определяет перемещение влаги в порах к поверхности тела, а второй – с поверхности в газообразную фазу. Определяющим процессом является внутренняя диффузия влаги, так как в порах тела влага может находиться в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и в виде пара) и происходят ее фазовые превращения.

Влага в твердых телах может перемещаться вследствие концентрационной диффузии, термо- и бародиффузии. При наличии в теле градиентов влагосодержания, температуры и давления плотность потока массы определяют по уравнению:

m_д = m_кд +m_тд + m_бд, кг/(м²·с) (7.38)

где правая часть – плотность потоков влаги, обусловленных соответственно концентрационной диффузией, термо- и бародиффузией.

Влага – любая жидкость, которая должна быть удалена из тела при сушке. Количество влаги в материале, выраженное в процентах, называют его влажностью. Различают относительную влажность w (отношение массы влаги к массе всего материала) и влагосодержание w^с (отношение массы влаги к массе сухого материала):

w = 100W/G = 100W/(G_c + W); (7.39)

w^с = 100W/G_c = 100W/(G – W). (7.40)

В этих формулах W, G и G_c – соответственно массы влаги, влажного материала и сухого материала.

В зависимости от содержания влаги различают три состояния материала по отношению к окружающей среде: влажное, когда материал отдает влагу среде; равновесное, при котором обмен влагой между материалом и средой отсутствует; гигроскопическое, когда материал забирает влагу из окружающей среды.

В общем случае процесс сушки во времени может быть разделен на три периода (рис. 7.1). В первый период (период прогрева) влажность материала меняется мало, а температура поверхности t_пов и интенсивность испарения m растут. В конце периода устанавливается постоянная температура поверхности и начинает увеличиваться температура внутри тела t_ось и наступает тепловое равновесие между количеством теплоты, воспринимаемой высушиваемым телом и расходом теплоты на испарение влаги.

Рис. 7.1. Изменение характеристик процесса сушки при постоянной

температуре сушильного агента

Первый период сменяется вторым – периодом сушки с постоянной скоростью. Температура поверхности материала становится приблизи-тельно равной температуре мокрого термометра. Давление пара над поверхностью равно парциальному давлению насыщенного пара, определяемому температурой поверхности. Оно не зависит от влаж-ности материала. Этот период сопровождается для ряда материалов их усадкой, неравномерность которой может вызвать появление трещин. Поэтому материалы должны сушиться с безопасной скоростью, зависящей от размеров изделия, его влажности и температуры сушильного агента t_с.а.

В третий период сушки (с уменьшающейся скоростью) интенсивность процесса определяется интенсивностью подвода теплоты и влаги к поверхности испарения, переместившейся вглубь тела. В этот период влагосодержание по сечению тела меняется по логарифмическому закону. Уменьшение интенсивности испарения сопровождается уменьшением расхода теплоты на испарение влаги, что приводит к увеличению средней температуры материала и уменьшению разности температур между сушильным агентом и поверхностью высушиваемого тела:

∆t = t_с.а – t_пов. (7.41)

По достижении на поверхности материала равновесной влажности скорость сушки становится равной нулю, т.е. удаление влаги из материала прекращается. Величина равновесной влажности зависит от свойств материала и параметров сушильного агента – его температуры и влажности.

Продолжительность отдельных периодов и численные значения параметров зависят от многих факторов, характеризующих свойства высушиваемого материала, способа сушки и теплового режима процесса. Все они обычно определяются кинетическими закономерностями сушки, которые базируются на экспериментальных данных.

Список рекомендуемой литературы

1. Теория тепломассообмена: Учебник для технических университетов и вузов /C.И .Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов и др./Под ред. А.И. Леонтьева. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. – 683 с.

2.Цветков Ф.Ф. ., Григорьев В.А. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов. М.: Изд-во МЭИ, 2006. – 550 с.

3. Телегин А.С., Швыдкий В.С., Ярошенко Ю.Г. Тепломассоперенос:

Учебник для вузов. /Под редакцией Ю.Г. Ярошенко. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. – 455 с.

4. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический экспери-мент: Справочник /Под общей редакцией А.В. Клименко и В.М. Зорина. – М.: Изд-во МЭИ, 2001. – 564 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).

5. Ерофеев В.Л., Семенов П.Д., Пряхин А.С. Теплотехника: Учебник для вузов. /Под ред. д-ра техн. наук, проф. В.Л. Ерофеева. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. – 456 с.

6. Теплотехника: Учеб. для вузов. /В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.: Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высшая школа, 2003. – 671с.

7. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: Учеб. для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.

8. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1973. – 320 с.

9. Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача: Учеб-

ник для вузов. – М.: Высшая школа, 1991. – 480 с.

10. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача: Учеб-ник для неэнергетич. спец. втузов. – М.: Высшая школа, 1988. – 479 с.

11. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебное пособие для неэнергетич. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1975. – 496 с.

12. Чечеткин А.В., Занемонец Н.А. Теплотехника: Учебник для хим.-технол. спец. вузов. – М.: Высшая школа, 1986. – 344 с.

13. Цветков Ф.Ф., Керимов Р.В., Величко В.И. Задачник по теп-ломассообмену: Учебное пособие для теплоэнергетич. спец. вузов. – М.: Изд-во МЭИ, 1997. – 136 с.