Лекция СУШЕНЕ.

Сушенето е процесът на отстраняване на влагата от твърдите вещества чрез нейното изпаряване и отстраняването на получените пари.

Често термичното сушене се предшества от механични методи за отстраняване на влагата (изстискване, утаяване, филтриране, центрофугиране).

Във всички случаи изсушаването под формата на пари премахва летливия компонент (вода, органичен разтворител и др.)

По физическа същност сушенето е процес на съвместен топло-, масопренос и се свежда до движението на влагата под въздействието на топлина от дълбочината на изсушения материал към неговата повърхност и последващото му изпаряване. В процеса на сушене мокрото тяло се стреми към състояние на равновесие с заобикаляща среда, така че неговата температура и съдържание на влага обикновено са функция на времето и координатите.

На практика се използва понятието влажност v, което се дефинира като:

(5.2)

Ако тогава тогава

Според метода на подаване на топлина има:

Конвективно сушене, осъществявано чрез директен контакт на материала и изсушаващия агент;

Контактно (проводимо) сушене, топлината се предава на материала през стената, която ги разделя;

Радиационно сушене - чрез пренасяне на топлина чрез инфрачервено лъчение;

Сушене чрез замразяване, при което влагата се отстранява от материала в замразено състояние (обикновено във вакуум);

Диелектрично сушене, при което материалът се суши в полето на високочестотни токове.

При всеки метод на сушене материалът е в контакт с влажен въздух. В повечето случаи водата се отстранява от материала, така че обикновено се разглежда система сух въздух - водна пара.

Параметри влажен въздух.

Смес от сух въздух и водна пара е влажен въздух. Параметри на влажен въздух:

Относителна и абсолютна влажност;

Топлинен капацитет и енталпия.

Влажен въздух, при нис Пи Т,може да се счита за бинарна смес от идеални газове - сух въздух и водна пара. Тогава според закона на Далтън можем да запишем:

(5.3)

където П– налягане на паро-газова смес , p c gе парциалното налягане на сухия въздух, е парциалното налягане на водната пара.

Безплатна или прегрята пара - дава се Т и Рне кондензира. Максималното възможно съдържание на пари в газа, над което настъпва кондензация, съответства на условията на насищане при определена ти парциално налягане .

Разграничаване на абсолютна, относителна влажност и влажност на въздуха.

Абсолютна влажносте масата на водната пара на единица обем влажен въздух (кг/м 3). Концепцията за абсолютна влажност съвпада с концепцията за плътност на парите при температура Т и парциално налягане .

Относителна влажносте съотношението на количеството водна пара във въздуха към максимално възможното при дадени условия или съотношението на плътността на парата при дадени условия към плътността на наситените пари при същите условия:

Според уравнението на състоянието на идеалния газ Менделеев - Клайперон за пара в свободно и наситено състояние имаме:

и (5.5)

Тук M p е масата на един мол пара в kg, R е газовата константа.

Като се вземе предвид (5.5), уравнението (5.4) приема формата:

Относителната влажност определя съдържанието на влага в изсушаващия агент (въздух).

Тук ЛИЧЕН ЛЕКАРе масата (масовият дебит) на парата, L е масата (масовият дебит) на абсолютно сух газ. Изразяваме количествата G P и L чрез уравнението на състоянието на идеалния газ:

Тогава съотношението (5.7) се трансформира във вида:

(5.8)

Маса на 1 мол сух въздух в килограма.

Представяне и като се има предвид получаваме:

(5.9)

За система въздух-водна пара , . тогава имаме:

(5.10)

Така че е установена връзка между съдържанието на влага x и относителната влажност φ на въздуха.

Специфична топлинамокър газ се приема като добавен топлинен капацитет на сух газ и пара.

Специфична топлина на мокър газ ° С, отнасящи се до 1 кг сух газ (въздух):

(5.11)

където е специфичната топлина на сухия газ, специфичната топлина на парата.

Специфичен топлинен капацитет, посочен в 1 килограмапаро-газова смес:

(5.12)

Обикновено се използва при изчисления С.

Специфична енталпия на влажен въздух Hсе отнася за 1 kg абсолютно сух въздух и се определя при дадена температура на въздуха T като сума от енталпиите на абсолютно сух въздух и водна пара:

(5.13)

Специфичната енталпия на прегрята пара се определя от следния израз.

Изсушаванее процесът на отстраняване на влагата от материалите.

Влагата може да се отстрани механично(изстискване, филтриране, центрофугиране) или термичент.е. чрез изпаряване на влагата и отстраняване на получените пари.

По своята физическа същност сушенето е комбинация от процеси на топло- и масообмен, свързани един с друг. Отстраняването на влагата по време на сушене се свежда до движението на топлината и влагата вътре в материала и пренасянето им от повърхността на материала към околната среда.

Според метода на подаване на топлина към изсушения материал се разграничават следните видове сушене:

– конвективно сушене– директен контакт на изсушения материал със изсушаващ агент, който обикновено се използва като нагрят въздух или димни газове (по правило смесени с въздух);

– контактно сушене- пренос на топлина от охлаждащата течност към материала през стената, която ги разделя;

– радиационно сушене- пренос на топлина чрез инфрачервени лъчи;

– диелектрично сушене– отопление в областта на високочестотни токове;

– сушене чрез замразяване– сушене в замразено състояние под висок вакуум.

Свързваща форма на влага в материала

Механизмът на процеса на сушене до голяма степен се определя от формата на връзката на влагата с продукта: колкото по-силна е тази връзка, толкова по-труден е процесът на сушене. Процесът на отстраняване на влагата от продукта е придружен от нарушение на връзката му с продукта, което изисква определено количество енергия.

Всички форми на комуникация на влагата с продукта са разделени на три големи групи: химична връзка, физико-химична връзка, физико-механична връзка. По време на сушене хранителни продуктикато правило се отстранява физикохимично и физико-механично свързаната влага.

Химически свързана вода се задържа най-здраво и не се отстранява, когато материалът се нагрява до 120 ... 150 ° C. Химически свързаната влага е най-здраво прикрепена към продукта и може да бъде отстранена само когато материалът се нагрява до високи температури или в резултат на химическа реакция. Тази влага не може да бъде отстранена от продукта по време на сушене.

Физико-механична свързана влага е течността в капилярите и омокрящата течност.

Влагата в капилярите се подразделя на влага макрокапилярии микрокапиляри. Макрокапилярите са пълни с влага при директен контакт с материала. Влагата навлиза в микрокапилярите както при директен контакт, така и в резултат на усвояването й от околната среда.

Физико-химична връзка комбинира два вида влага: адсорбцияи осмотичносвързана влага. Адсорбционната влага се задържа здраво на повърхността и в порите на тялото. Осмотично свързана влага, наричана още набъбваща влага, се намира вътре в клетките на материала и се задържа от осмотични сили. Адсорбция влагаизисква много повече енергия за отстраняването му, отколкото набъбващата влага.

Основни параметри на влажния въздух

По време на конвективно сушене, топлоносителят (сушилният агент) предава топлината на продукта и отстранява изпаряващата се влага от продукта. По този начин изсушаващият агент играе ролята на носител на топлина и влага. Състоянието на влажния въздух се характеризира със следните параметри: барометрично налягане и парциално налягане на парите, абсолютно и относителна влажност, съдържание на влага, плътност, специфичен обем, температура и енталпия.Познавайки трите параметъра на влажния въздух, можете да намерите всички останали.

Абсолютното значение на въздуха наречена масата на водната пара в 1 m 3 влажен въздух (kg / m 3).

Относителна влажност , т.е. степен на насищане с въздух  , е съотношението на абсолютната влажност към максимално възможната маса на водната пара (
), който може да се съдържа в 1 m 3 влажен въздух при същите условия (температура и барометрично налягане),

, т.е.
100. (1)

Масата на водната пара, kg, съдържаща се във влажен въздух и на 1 kg абсолютно сух въздух, се нарича съдържание на влага във въздуха:

, (2)

енталпия азвлажен въздух се отнася до 1 кг абсолютно сух въздух и се определя при дадена температура на въздуха т°C като сума от енталпиите на абсолютно сух въздух
и водна пара
(J/kg сух въздух):

, (3)

където С r.v– среден специфичен топлинен капацитет на абсолютно сух въздух, J/(kgK); и не енталпията на водната пара, kJ/kg.

аз  д -диаграма на влажен въздух.Основните свойства на влажния въздух могат да бъдат определени с помощта на аз х-диаграма, разработена за първи път от L.K. Рамзин през 1918 г. Диаграма аз-Х(фиг. 1) изграден за постоянно налягане Р= 745 mm Hg Изкуство. (около 99 kN / m 2).

Върху вертикалната ос на ординатите енталпията е нанесена в определен мащаб аз, а по абсцисната ос - съдържание на влага д. Оста на абсцисата е разположена под ъгъл от 135 спрямо оста на ординатата (за увеличаване на работната част на полето на диаграмата и удобството при завъртане на кривите  = const).

Линиите на диаграмата са:

постоянно съдържание на влага (д= const) са вертикални линии, успоредни на оста y;

постоянна енталпия ( аз\u003d const) - прави линии, успоредни на оста на абсцисата, тоест преминаващи под ъгъл от 135 ° спрямо хоризонта;

постоянни температури или изотерми (т= const);

постоянна относителна влажност (  = const);

парциални налягания на водните пари Р Пвъв влажен въздух, чиито стойности са нанесени на скалата на дясната ос y на диаграмата.

Ориз. един. аз–д-диаграма

Атмосферният въздух е почти винаги влажен поради изпаряването на водата от открити резервоари в атмосферата, както и поради изгарянето на органични горива с образуване на вода и др. загрят атмосферен въздухмного често се използва за сушене на различни материали в сушилни камери и в други технологични процеси. Относителното съдържание на водна пара във въздуха също е един от най-важните компоненти на климатичния комфорт в жилищните помещения и в помещенията за дългосрочно съхранение на хранителни продукти и промишлени продукти. Тези обстоятелства определят важността на изследването на свойствата на влажния въздух и изчисляването на процесите на сушене.

Тук ще разгледаме термодинамичната теория на влажния въздух, главно с цел да се научим как да изчислим процеса на сушене на мокър материал, т.е. научете как да изчислявате въздушния поток, който би осигурил необходимата скорост на сушене на материала за дадените параметри на сушилната инсталация, както и да разгледа анализа и изчисляването на климатични и климатични инсталации.

Водната пара, която присъства във въздуха, може да бъде или прегрята, или наситена. При определени условия водната пара във въздуха може да кондензира; тогава влагата изпада под формата на мъгла (облак), или повърхността се замъглява - пада роса. Въпреки това, въпреки фазовите преходи, водната пара във влажен въздух може да се разглежда с голяма точност като идеален газ до сухо наситено състояние. Всъщност, например, при температура т\u003d 50 ° C наситената водна пара има налягане ps = 12300 Pa и специфичен обем. Като се има предвид, че газовата константа за водна пара

тези. с тези параметри дори наситената водна пара с грешка не повече от 0,6% се държи като идеален газ.

По този начин ще разглеждаме влажния въздух като смес от идеални газове с единственото предупреждение, че в състояния, близки до насищане, параметрите на водната пара ще се определят от таблици или диаграми.

Нека представим някои понятия, характеризиращи състоянието на влажен въздух. Нека в обема на пространството 1 m 3 има влажен въздух в равновесно състояние. Тогава количеството сух въздух в този обем по дефиниция ще бъде плътността на сухия въздух ρ sv (kg / m 3) и количеството водна пара, съответно, ρ VP (kg / m 3). Това количество водна пара се нарича абсолютна влажноствлажен въздух. Плътността на влажния въздух очевидно ще бъде

В този случай трябва да се има предвид, че плътностите на сухия въздух и водната пара трябва да бъдат изчислени при съответните парциални налягания по такъв начин, че

тези. считаме, че законът на Далтон е валиден за влажен въздух.

Ако температурата на важния въздух е т, тогава

Често вместо плътност на водните пари, т.е. вместо абсолютна влажност, влажният въздух се характеризира с т.нар съдържание на влага д, което се определя като количеството водна пара на 1 kg сух въздух. За да се определи съдържанието на влага дотделете известен обем във влажен въздух V 1, така че масата на сухия въздух в него да е 1 kg, т.е. измерение V 1 в нашия случай има m 3 / kg St. Тогава количеството влага в този обем ще бъде д kg VP / kg St. Ясно е, че съдържанието на влага дсвързана с абсолютната влажност ρ vp. Всъщност масата на влажен въздух в обем V 1 е равно

Но тъй като обемът V 1 избрахме така, че да съдържа 1 кг сух въздух, тогава очевидно . Вторият термин по дефиниция е съдържанието на влага д, т.е.

Разглеждайки сухия въздух и водната пара като идеални газове, получаваме

Като вземем предвид, намираме връзката между съдържанието на влага и парциалното налягане на водната пара във въздуха

Замествайки тук числовите стойности, най-накрая имаме

Тъй като водната пара все още не е идеален газ в смисъл, че нейното парциално налягане и температура са много по-ниски от критичните, влажният въздух не може да съдържа произволно количество влага под формата на пара. Нека илюстрираме това с диаграма. p–vводна пара (виж фиг. 1).

Нека първоначалното състояние на водната пара във влажен въздух е представено с точка C. Ако сега при постоянна температура тС добавянето на влага под формата на пара към влажен въздух, например, чрез изпаряване на вода от открита повърхност, точката, представляваща състоянието на водната пара, ще се движи по изотермата т C = const вляво. Плътността на водната пара във влажен въздух, т.е. абсолютната му влажност ще се увеличи. Това увеличение на абсолютната влажност ще продължи до появата на водна пара при дадена температура т C няма да стане сухо наситен (състояние S). По-нататъшно повишаване на абсолютната влажност при дадена температура е невъзможно, тъй като водната пара ще започне да кондензира. Така максималната стойност на абсолютната влажност при дадена температура е плътността на сухата наситена пара при тази температура, т.е.

Съотношението на абсолютната влажност при дадена температура и максимално възможната абсолютна влажност при същата температура се нарича относителна влажност на влажния въздух, т.е. по дефиниция имаме

Възможен е и друг вариант на кондензация на пари във влажен въздух, а именно изобарно охлаждане на влажен въздух. Тогава парциалното налягане на водните пари във въздуха остава постоянно. Точка C на диаграмата p–vще се измести наляво по изобара до точката R. Освен това влагата ще започне да пада. Тази ситуация много често се случва през лятото през нощта, когато въздухът се охлажда, когато росата пада върху студени повърхности и се образува мъгла във въздуха. Поради тази причина температурата в точка R, при която росата започва да пада, се нарича точка на оросяване и се обозначава тР. Дефинира се като температура на насищане, съответстваща на дадено парциално налягане на парите

Енталпията на влажен въздух на 1 kg сух въздух се изчислява чрез сумиране

взето е предвид, че енталпиите на сухия въздух и водната пара се измерват от температура 0 o C (по-точно от температурата на тройната точка на водата, равна на 0,01 o C).

както е известно, сух въздух(CB) се състои от 78% азот, 21% кислород и около 1% въглероден диоксид, инертни и други газове. Ако има във въздуха, тогава такъв въздух се нарича влажен въздух(VV). Като се има предвид, че съставът на сухата част на въздуха практически не се променя по време на вентилация на помещенията и може да се промени само количеството влага, при вентилацията е обичайно взривните вещества да се разглеждат като бинарна смес, състояща се само от два компонента: SW и водна пара (WP). Въпреки че всички газови закони важат за тази смес, по време на вентилация може да се приеме с достатъчна точност, че въздухът почти винаги е под атмосферно налягане, тъй като наляганията на вентилаторите са доста малки в сравнение с барометрично налягане. Нормалното атмосферно налягане е 101,3 kPa, а наляганията, развивани от вентилаторите, обикновено са не повече от 2 kPa. Следователно отоплението и въздухът във вентилацията се извършват при постоянно налягане.

От термодинамичните параметри на взривните вещества, които се експлоатират по време на вентилация, могат да се откроят следното:

плътност;
топлинен капацитет;
температура;
съдържание на влага;
парциално налягане на водните пари;
относителна влажност;
температура на точката на оросяване;
енталпия (топлинно съдържание);
температура на мокър термометър.

Термодинамични параметриопределят състоянието на експлозивите и са свързани помежду си по определен начин. Подвижността, т.е. скоростта на въздуха и концентрацията на веществото (с изключение на влагата) са специални, нетермодинамични параметри. Те нямат нищо общо с останалите термодинамични параметрии може да бъде всяка, независимо от тях.

Под влияние на различни фактори той може да промени своите параметри. Ако въздухът, съдържащ се в определен обем (например стая), е в контакт с горещи повърхности, той загряватемпературата му се повишава. В този случай тези слоеве, които граничат с горещи повърхности, се нагряват директно. Промени поради нагряване, а това води до появата конвективни течения: възниква процес на бурен обмен. Поради наличието на турбулентно смесване на въздуха в процеса на образуване на вихъра, възприеманото от граничните слоеве постепенно се пренася към по-отдалечени слоеве, в резултат на което целият обем въздух се по някакъв начин повишававашата температура.

От разглеждания пример става ясно, че слоевете близо до горещите повърхности ще имат по-висока температура от отдалечените. С други думи, температурата по обем не е еднаква (и понякога се различава доста значително). Следователно температурата, като параметър на въздуха, във всяка точка ще има своя индивидуална, местна стойност. Изключително трудно е обаче да се предвиди естеството на разпределението на местните температури върху обема на помещението, така че в повечето ситуации трябва да се говори за определена средна стойност на един или друг параметър на въздуха. Средна температураИзвлича се от предположението, че възприеманата топлина ще бъде равномерно разпределена върху обема на въздуха и температурата на въздуха във всяка точка от пространството ще бъде една и съща.

Въпросът за разпределението на температурата по височината на помещението е повече или по-малко проучен, но дори и в този въпрос моделът на разпределение може да се промени значително под влияние на индивидуални фактори: струйни потоци в помещението, наличие на екраниращи повърхности на строителни конструкции и оборудване, температура и размер на източниците на топлина.

Абсолютна влажност на въздуха ρ n, kg / m, те наричат масата на водната пара, съдържаща се в 1 m 3 влажен въздух, т.е. абсолютната влажност на въздуха е числено равна на плътността на парите при дадено парциално налягане P p и температура на сместа t.

Съдържанието на влага е съотношението на масата на парата към масата на сухия въздух, съдържащ се в същия обем влажен газ. Поради малките стойности на масата на парата във влажен въздух, съдържанието на влага се изразява в грамове на 1 kg сух въздух и се обозначава с d. Относителната влажност φ е степента на насищане на газ с пара и се изразява чрез съотношението на абсолютната влажност ρ n до максимално възможния при същите налягания и температури ρ н.

По отношение на произволен обем влажен въздух V, който съдържа D p kg, водна пара и L kg, сух въздух при барометрично налягане P b и абсолютна температура T, можем да запишем:

(5.2)

(5.3)

(5.4)

Ако влажният въздух се разглежда като смес от идеални газове, за които е валиден законът на Далтон, P b = Р c + P p и уравнението на Клапейрон, PV=G∙R∙T, тогава за не наситен въздух:

(5.5)

за наситен въздух:

(5.6)

където D p, D n - маса на парата в ненаситени и наситени състояния на въздуха;
R p - двойка газова константа.

От къде идва:

(5.7)

От уравненията на състоянието, написани за въздух и пара, се получава:

(5.9)

Съотношението на газовите константи на въздуха и парата е 0,622, тогава:

Тъй като масата на неговата суха част остава непроменена в процесите на топлообмен с участието на влажен въздух, е удобно да се използва енталпията на влажния въздух H, отнесена към масата на сухия въздух, за топлотехнически изчисления:

където C in е средният специфичен топлинен капацитет на сух въздух в температурния диапазон 0÷100 o C, (C in = 1,005 kJ/kg∙K); C p - средна специфична топлина на водната пара (C p = 1,807 kJ / kg ∙ K).

Изображение на промяната в състоянието на мокър газ в промишлени инсталации е показано на H-d диаграмата (фиг. 5.3).

H-d-диаграмата е графично представяне при избрано барометрично налягане на основните параметри на въздуха (H, d, t, φ, P p). За комфорт практическа употреба H-d-диаграмите използват наклонена координатна система, в която линиите H \u003d const са разположени под ъгъл от 6 \u003d 135 ° спрямо вертикалата.

Фигура 5.3 - Построяване на линии t = const, P p и φ = 100% в H-d диаграмата

Точка a съответства на H = 0. От точка a те я полагат в приетата скала нагоре положителна стойностенталпия, надолу - отрицателен, съответен отрицателни стойноститемператури. За да построите линията t=const, използвайте уравнението H=1.0t + 0.001d(2493+1.97t). Ъгълът α между изотермата t = 0 и изоенталпа H = 0 се определя от уравнението:

Следователно α≈45°, а изотермата t = 0 o C е хоризонтална линия.

За t > 0 всяка изотерма е изградена върху две точки (изотерма t 1 върху точки би v). С повишаване на температурата енталпийният компонент нараства, което води до нарушаване на паралелизма на изотермите.

За да се конструира линията φ = const, се начертава линия на парциалните налягания на парите в определен мащаб в зависимост от съдържанието на влага. P p зависи от барометричното налягане, така че диаграмата е изградена за P b = const.

Линията за парциално налягане се изгражда съгласно уравнението:

(5.11)

Като се имат предвид стойностите d 1 , d 2 , и определянето на P p1 P p2 намерете точките g, d ..., свързвайки които, получавате линия на парциално налягане на водната пара.

Построяването на линиите φ = const започва с правата φ =1 (P p = P s). Използвайки термодинамични таблици за водна пара, намерете за няколко произволни температури t 1 , t 2 ... съответните стойности на P s 1 , P s 2 ... Точки на пресичане на изотерми t 1 , t 2 ... с линии d = const, съответстваща на P s 1 , P s 2 ..., определете линията на насищане φ = 1. Площта на диаграмата, лежаща над кривата φ = 1, характеризира ненаситения въздух; площта на диаграмата под φ = 1 характеризира въздуха в наситено състояние. Изотермите в областта под линията φ = 1 (в областта на мъглата) претърпяват прекъсване и имат посока, съвпадаща с H = const.

Като се има предвид различна относителна влажност и се изчислява в същото време P p =φP s , линиите φ = const се изграждат подобно на конструкцията на линията φ = 1.

При t = 99,4 o C, което съответства на точката на кипене на водата при атмосферно налягане, кривите φ \u003d const претърпяват прекъсване, тъй като при t≥99.4 о С P p max = P b. Ако , то изотермите се отклоняват наляво от вертикалата и ако , линиите φ = const ще бъдат вертикални.

Когато влажен въздух се нагрява в рекуперативен топлообменник, неговата температура и енталпия се повишават, а относителната влажност намалява. Съотношението на масите влага и сух въздух остава непроменено (d = const) - процес 1-2 (фиг. 5.4 а).

В процеса на охлаждане на въздуха в рекуперативна HE температурата и енталпията намаляват, относителната влажност се повишава, а съдържанието на влага d остава непроменено (процес 1-3). При по-нататъшно охлаждане въздухът ще достигне пълно насищане, φ \u003d 1, точка 4. Температурата t 4 се нарича температура на точката на оросяване. Когато температурата падне от t 4 до t 5, водната пара (частично) кондензира, образува се мъгла и съдържанието на влага намалява. В този случай състоянието на въздуха ще съответства на насищане при дадена температура, т.е. процесът ще продължи по линията φ \u003d 1. Капчичната влага d 1 - d 5 се отстранява от въздуха.

Фигура 5.4 - Основните процеси на промяна на състоянието на въздуха в H-d-графика

При смесване на въздух от две състояния, енталпията на сместа е N cm:

Съотношение на смесване k \u003d L 2 / L 1

и енталпия
(5.13)

В H-d-диаграмата точката на смесване лежи на права линия, свързваща точки 1 и 2 за k → ~ H cm = H 2, за k → 0, H cm → H 1. Възможно е състоянието на сместа да бъде в областта на пренаситен въздух. В този случай се образува мъгла. Точката на сместа се изважда по линията H = const до линията φ = 100%, отпада част от капковата влага ∆d (фиг. 5.4 б).