Свойства обрабатывающей среды

Передача тепла в лесосушильных камерах высушиваемому пиломатериалу осуществляется конвективным путем от нагретого воздуха в смеси с водяным паром или с добавкой топочных газов. Эта смесь в сушильной технике называется сушильным агентом.

Наиболее часто используемым сушильным агентом является атмосферный воздух. В нем всегда присутствует какая-то доля водяного пара. Поэтому мы будем рассматривать атмосферный воздух как смесь этих двух компонентов, имеющих постоянное давление, равное 750 мм рт. ст.=1 бар=100 000 H/м²=10⁵ Па=0,1 МПа= 1 атм. Это барометрическое атмосферное давление. Наблюдающиеся незначительные отклонения барометрического давления от принятой величины практически несущественны. В котельной технике различают два давления пара (без воздуха) - отсчитываемое по манометру, т.е. избыточное над барометрическим (atu), и абсолютное с учетом барометрического (ata). Второе больше первого на 1 атм.

Для технических расчетов имеют значение следующие основные параметры воздуха: температура, парциальное давление водяного пара, абсолютная влажность, относительная влажность, влагосодержание, теплосодержание, плотность и удельный объем.

Парциальным давлением того или иного компонента в смеси газов принято называть давление, которое имел бы данный компонент при удалении из объема, занимаемого смесью, всех остальных газов. В соответствии с законом Дальтона атмосферное давление воздуха р_а может рассматриваться как сумма парциальных давлений сухого воздуха и содержащегося в нем водяного пара:

р_а=р_в+р_п

Водяной пар в смеси с воздухом ведет себя точно так же, как если бы он один занимал весь объем смеси. Максимальная величина его парциального давления при данной температуре ограничивается давлением насыщения ,При парциальном давлении ниже давления насыщения пар в воздухе будет перегретым. Когда парциальное давление доходит до давления насыщения, пар становится насыщенным. Если же воздух, содержащий насыщенный пар, охлаждается, этот пар превращается в мокрый.

Рассмотрим кратко физическую сущность и методы вычисления основных параметров воздуха.

Абсолютной влажностью воздуха называется масса водяного пара в единице объема влажного воздуха, другими словами, абсолютная влажность - это плотность водяного пара в воздухе. Эта величина, обратная удельному объему пара, определяется из уравнения выражением

где - давление пара, Па;

- газовая постоянная водяного пара, Дж/(кг·К), 461.58;

- температура пара, К.

Если воздух содержит насыщенный водяной пар, его принято характеризовать термином насыщенный п а р о м воздух. Абсолютная влажность такого воздуха, показывающая максимально возможное при данной температуре содержание в нем пара, называется влагоемкостью

где - давление насыщения.

Давление насыщения при повышении температуры резко возрастает, в связи с чем возрастает и влагоемкость воздуха.

Относительной влажностью воздуха называют отношение его абсолютной влажности к влагоемкости.

т. е. относительная влажность равна также отношению парциального давления пара в воздухе к давлению насыщения пара при данной температуре, другими словами, относительная влажность воздуха характеризует степень насыщенности его водяным паром. Последним термином мы и будем в дальнейшем преимущественно пользоваться как более универсальным, поскольку понятие «степень насыщенности» применимо как к чистому пару, так и к смеси пара с воздухом, а понятие «относительная влажность» для чистого пара не имеет физического смысла.

В технике гидротермической обработки древесины многие расчеты требуют определения количества участвующего в обработке воздуха. Исчисление количества воздуха по его объему или общей массе неудобно, так как эти величины при изменении состояния воздуха являются переменными. Поэтому принято исчислять количество воздуха по массе его сухой части (т. е. без водяного пара). Такой способ исчисления потребовал введения дополнительного параметра, характеризующего количество пара в воздухе - влагосодержания.

Влагосодержанием называют массу водяного пара, приходящегося на 1 кг сухой части воздуха. Оно определяется отношением плотности пара к плотности собственно воздуха. Для практических расчетов удобно выражать влагосодержание в граммах влаги на 1 кг сухого воздуха. На основании уравнений (4), (5), используя численные значения газовых постоянных пара и воздуха (287,14), будем иметь

Теплосодержание (энтальпия) воздуха характеризуется суммарным теплосодержанием собственно воздуха і_в и находящегося в нем водяного пара i_п. Это суммарное теплосодержание исчисляют по отношению к единице массы (1 кг) сухой части воздуха. Так как на 1 кг сухой части воздуха приходится 0,001 d кг влаги, теплосодержание воздуха I выразится суммой

где - удельная теплоемкость воздуха и пара;

- скрытая теплота парообразования.

После подстановки значений удельной теплоемкости воздуха, пара и скрытой теплоты парообразования получим расчетную формулу теплосодержания воздуха (Кдж/кг):

Как видно из приведенных формул, за нулевое теплосодержание условно принимается теплосодержание абсолютно сухого воздуха при 0°С. При низких температурах оно, следовательно, может быть отрицательным.

Плотность и удельный объем влажного воздуха могут быть вычислены на основании уравнений (4) и (5) как величины, производные от параметров собственно воздуха и пара.

Воздух в смеси с водяным паром называют влажным воздухом. При сушке древесины воздух всегда бывает влажным.

При камерной сушке материала водяной пар бывает двух видов: 1) пар, который выделяется в результате испарения влаги из материала и присоединяется к пару, находившемуся ранее в воздухе; 2) пар, который поступает из котельной в калорифер паровых камер для нагрева находящегося в них воздуха.

Пар обоих этих видов имеет одинаковые свойства и отличается только давлением и степенью его перегрева (разностью температур перегретого и насыщенного пара при одном и том же давлении).

Пар может быть насыщенным сухим, влажным и перегретым.

Насыщенным сухим называется пар, находящийся в присутствии жидкости, из которой он образовался, и в равновесии с ней (когда не происходит ни испарения, ни конденсации).

Насыщенный сухой пар бесцветен и прозрачен.

Влажным называется пар, содержащий капельки воды (туман); во взвешенном состоянии он белый, непрозрачный.

Перегретым называется пар, температура которого выше температуры насыщенного пара при данном давлении; он прозрачен и бесцветен.

Перегретый пар может испарять из материала воду или свободную влагу до тех пор, пока он не сделается насыщенным.

Таким образом, перегретый пар независимо от его давления можно применять в качестве сушильного агента. Его количество I, кг/кг пара, необходимое для испарения из штабеля 1 кг воды, можно определить по формуле

, (8)

где t₁ и t₂ - температура пара до и после испарения воды.

Расчеты, по приведенным формулам, несмотря на их элементарность, часто оказываются громоздкими и не позволяют наглядно анализировать процессы изменения состояния воздуха в технических устройствах. Поэтому давно делались попытки построить удобную диаграмму, связывающую между собой основные параметры воздуха. Эта задача была решена в 1918 г. проф. Л. К. Рамзиным.

Между температурой воздуха, влажностью, теплосодержанием и влагосодержанием существует тесная связь, графически это отражено на так называемой Id-диаграмме, предложенной Л.К. Рамзиным, а затем дополненной И.В. Кречетовым.

Диаграмма построена в основных координатах: теплосодержание – влагосодержание, оси I=0 и d =0 образуют тупой угол для более полного использования ее площади.