Процессы нагрева, охлаждения и сушки на Id-диаграмме

Нагревание и охлаждение воздуха.Нагревание воздуха при прохождении его через различные нагревательные устройства (калориферы) или охлаждение происходят без добавления или уменьшения влаги. Такой процесс отобразится на Id-диаграмме по линии d=const, т.е. по вертикали; это одно из важнейших расчетных положений сушильной техники.

На рис показан процесс нагревания и охлаждения воздуха из его начального состояния в точке А. При нагревании его состояние отразится параметрами точки В по линии d=const вверх, т.е. повысится температура, а при охлаждении - в точку А вниз. Несмотря на неизменное влагосодержание воздуха d_а=d_н и постоянное давление пара r_А=const, насыщенность пара j в воздухе при нагревании уменьшается. Такое свойство воздуха связано с его влагоемкостью. В первом случае влагоемкость возрастает, а во втором снижается. Таким образом, при нагревании воздух становится более сухим, а при охлаждении влажным.

а б

Изображение на Id-диаграмме процессов:

а - нагревания и охлаждения воздуха; б - испарения воды; АВ - на­гревания воздуха; АH - охлаждения воздуха; РМ - конденсации влаги на холодной поверхности; РЕ - выделения капельной влаги (туман); ХТ - на­гревания воздуха; ТМ - испарения воды (схема б)

Если продолжить охлаждение воздуха, точка А может перейти в точку P, достигнув линии j=1, т.е. приобрести состояние так называемой точки росы t_р (выпадение капельной воды на холодных поверхностях) - отсчет влево. Часть капельной воды может находиться и в воздухе, образуя туман (точка Е). В процессе конденсации (линия РМ) воздух останется сухим. так как влагосодержание изменится из состояния d_А в d_М (происходит его обезвоживание).

Точка С - это частичное образование тумана. Если нагреть туман (точка Е) до состояния, обозначенного точкой Р, а затем и точкой А, получим начальное состояние воздуха, т.е. рассмотренный процесс обратимый.

Испарение воды с поверхности материала.На Id-диаграмме процесс испарения влаги воздухом, характеризующимся точкой Т (рис. б), отразится отрезком ТМ по линии постоянной энтальпии I=const (вниз - направо), т.е. с увеличением влагосодержания за счет испаряющейся влаги d_М>d_Т. При этом, поскольку на испарение влаги затрачивается тепло, температура понизится: t_М<t_Т.

На рис. б (вверху) изображен широко применяемый во многих областях техники прибор - психрометр, состоящий из двух термометров, нижняя часть (с ртутью или подкрашенным спиртом) одного из которых покрыта марлей, опущенной в сосуд с водой. Испарение воды с поверхности влажной марли вызывает понижение показаний смоченного термометра и тем больше, чем суше воздух. Следовательно, степень охлаждения смоченного термометра (раньше его называли мокрым), разность температур между сухим и смоченным термометрами называется психрометрической разностью Dt и является показателем сушильной способности воздуха - потенциалом сушки. Если Dt=0, вода не испаряется с марли смоченного термометра, следовательно, пар в воздухе насыщенный, т.е. j=1 и его состояние на Id-диаграмме отразится точкой М (рис. б) - конец изотермы t_М.

Поднимаясь из точки М вверх по линии энтальпии до пересечения с изотермой сухого термометра t, фиксируют в точке Т искомое состояние воздуха и отсчитывают все его параметры, в том числе и значение j (без психрометрической таблицы).

Смешивание воздуха различных состояний.Основные параметры воздуха (t, d, I) связаны между собой пропорциональными зависимостями, поэтому при смешении воздуха разных состояний смесь определяется линейно по значениям исходных ее параметров и количеств.

Нанесем на Id-диаграмму точки А и В состояния воздуха до смешения (рис. в). Количество воздуха в точке А примем равным 1 кг, а в точке В - n кг, причем n>1 кг. Следовательно, количество смеси будет находиться на прямой АВ, поскольку зависимость I=f(d, t) линейная формула - первой степени. Положение точки смеси будет ближе к точке В, так как количество воздуха в точке В больше, чем в точке А. Если количество

Рис. в. Изображение на Id-диаграмме параметров

смешения воздуха двух состояний

воздуха в точках А и В принять одинаковым, по 1 кг, точка смеси С будет находиться посредине отрезка ВА. Если же количество воздуха в точке В будет в 10 раз больше, чем в точке А, то смесь С будет находиться вблизи точки В, причем отрезок СА будет в 10 раз больше, чем ВС. Длина этих отрезков будет пропорциональна разностям соответствующих влагосодержаний воздуха. В общем случае будем иметь:

или СА=n ВС. (11)

В случае смешения воздуха нескольких состояний параметры конечной смеси определяют последовательным нахождением состояния двух компонентов с учетом промежуточных состояний. Причем состояние найденного промежуточного компонента смешивается с последующим и так до конечного состояния смеси.

В технических расчетах берутся или объемы компонентов смеси, или их масса (весовые части компонентов смеси). В более точных расчетах следует учитывать теплоемкость компонентов смеси.

Процессы сушки на Id-диаграмме: а) с однократной циркуляцией воздуха.На рис. 5,а показана структурная схема такой сушилки, на рис. 5,б - принципиальная схема, а на рис. 5, в на диаграмму нанесен цикличный процесс сушки, состоящий из циклов нагревания воздуха и испарения им влаги из материала. Отработанный воздух (точка 2) полностью удаляется из сушилки, а на его место подается свежий - точка 0 (рис. 5, б, в).

В теоретическом процессе сушки (без потерь) I₁=I₂=const, поэтому для нагревания 1 кг воздуха необходимо затратить I₁-I₀=I₂-I₀ тепла. В процессе сушки 1 кг воздуха унесет из материала (d₂-d₀) г влаги, а для испарения 1 кг, т.е. 1000 г влаги, потребуется такого воздуха

. (11а)

Количество тепла, кДж/кг влаги, необходимое для нагревания l₀ кг воздуха, испаряющего 1 кг влаги с нулевой температурой, определяется по формуле

(12)

б в

Рис. 5. Теоретический процесс сушки с однократной циркуляцией воздуха по материалу:

а - структурная схема процессов; б – схема сушильной камеры; в - построение процессов на Id-диаграмме. 1- нагретый воздух; 2 – отработанный воздух; 3 – вытяжная труба; 4 – калорифер; 5 – ограждение камеры; 6 - штабель

б) с многократной циркуляцией.Этот процесс сушки показан графически на рис. 6. В отличие от ранее рассмотренного процесса в процессе с многократной циркуляцией отработанный воздух (точка 2) полностью не удаляется из сушилки. Его основная часть возвращается к калориферу 4 с добавлением небольшого количества свежего воздуха 0 (рис. 6,б). Их смесь 3 повторно нагревается в калорифере и затем поступает к материалу 6 для испарения влаги. Такую сушилку называют рециркуляционной.

Полученный треугольник 1-2-3 (рис. 6,в) называют треугольником сушки. Его внешние точки характерны для процесса сушки: М - показания смоченного термометра (t_М), Р - температура точки росы, точка 1 - показания сухого термометра.

Масса циркулирующего по материалу воздуха l, кг, приходящегося на 1 кг испаряемой влаги:

, (13)

масса свежего воздуха l₀, поступающего в камеру:

. (14)

б в

Рис. 6. Процесс сушки с многократной циркуляцией воздуха

по материалу: а) структурная схема процесса; б) схема сушильной камеры; в) построение процессов на Id-диаграмме; 0 - свежий воздух; 1 - нагретый воздух перед материалом; 2 - отработанный воздух после материала; 3 - смесь отработанного воздуха со свежим; 4 - калорифер; 5 - ограждения сушильной камеры; 6 - материал

Количество тепла q, необходимое на испарение 1 кг влаги, определяется по формуле (15), поскольку соотношения разностей, учитывающих параметры пропорциональны:

. (15)

Приведенные формулы являются основными при расчете и анализе сушильных процессов, а также необходимого количества теплового вентиляторного оборудования.

Кратностью циркуляции воздуха называется отношение

. (16)

Если k=1, то d₂-d₀=d₂-d₃ и точка 3 смещается в точку О, процесс будет с однократной циркуляцией.

Процессы тепловой обработки и сушки древесины (ТОиСД) древесины протекают при взаимодействии материала и обрабатывающей среды. Жидкая или газообразная среда, воздействующая на материал при его обработке, называется агентом обработки.

Самыми распространенными агентами ТОиСД являются: влажный воздух, паровоздушная смесь, топочные газы в смеси с воздухом, водяной пар, горячая вода. В значительной степени это объясняется их доступностью и нетоксичностью. В некоторых случаях применяются водные растворы или органические жидкости.

Изучение процессов ТОиСД невозможно без знания свойств обрабатывающих агентов, особенно водяного пара, воздуха и топочных газов.

Общие сведения о свойствах и характеристиках указанных агентов обработки известны из курсов физики и теплотехники. Однако с точки зрения задач данного курса эти сведения необходимо дополнить и конкретизировать в части свойств воздуха и топочных газов.

Топочные газы