Лекция СУШКА.

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых тел путем ее испарения и отвода образующихся паров.

Часто тепловой сушке предшествуют механические способы удаления влаги (отжим, отстаивание, фильтрование, центрифугирование).

Во всех случаях при сушке в виде паров удаляется легколетучий компонент (вода, органический растворитель, и.т.д.)

По физической сущности сушка является процессом совместного тепло, массопереноса и сводится к перемещению влаги под воздействием теплоты из глубины высушиваемого материала к его поверхности и последующему ее испарению. В процессе сушки влажное тело стремится к состоянию равновесия с окружающей средой, поэтому его температура и влагосодержание в общем случае является функцией времени и координат.

В практике используется понятие влажность v, которая определяется как:

(5.2)

Если то тогда

По способу подвода теплоты различают:

Конвективную сушку, проводимую путем непосредственного контакта материала и сушильного агента;

Контактную (кондуктивную) сушку, тепло передается к материалу через разделяющую их стенку;

Радиационную сушку – путем передачи теплоты инфракрасным излучением;

Сублимационную сушку, при которой влага удаляется из материала в замороженном состоянии (обычно в вакууме);

Диэлектрическую сушку, при которой материал высушивается в поле токов высокой частоты.

При любом способе сушки материал находится в контакте с влажным воздухом. В большинстве случаев из материала удаляется вода, поэтому обычно рассматривают систему сухой воздух – пары воды.

Параметры влажного воздуха.

Смесь сухого воздуха с парами воды является влажным воздухом. Параметры влажного воздуха:

Относительная и абсолютная влажность;

Теплоемкость и энтальпия.

Влажный воздух, при небольших P и Т, можно считать бинарной смесью идеальных газов – сухого воздуха и водяного пара. Тогда по закону Дальтона можно записать:

(5.3)

где P – давление парогазовой смеси, p c г – парциальное давление сухого воздуха, – парциальное давление водяного пара.

Свободный или перегретый пар – при данных Т и Р он не конденсируется. Максимально возможное содержание паров в газе, выше которого наблюдается конденсация, соответствует условиям насыщения при определенной Т и парциальным давлении .

Различают абсолютную, относительную влажности и влагосодержание воздуха.

Абсолютная влажность – это масса водяного пара в единице объема влажного воздуха (кг/м 3) . Понятие абсолютной влажности совпадает с понятием плотности пара при температуре Т и парциальном давлении .

Относительная влажность - это отношение количества паров воды в воздухе к максимально возможному, при данных условиях, или отношение плотности пара при данных условиях к плотности насыщенного пара при тех же условиях:

По уравнению состояния идеального газа Менделеева – Клайперона для пара в свободном и насыщенном состоянии имеем:

и (5.5)

Здесь М п – масса одного моля пара в кг, R – газовая постоянная.

С учетом (5.5) уравнение (5.4) принимает вид:

Относительная влажность определяет влагоемкость сушильного агента (воздуха).

Здесь G П – масса (массовый расход) пара, L – масса (массовый расход) абсолютно сухого газа. Выразим величины G П и L через уравнение состояния идеального газа:

,

Тогда соотношение (5.7) преобразуется к виду:

(5.8)

Масса 1 моля сухого воздуха в кг.

Вводя и учитывая получим:

(5.9)

Для системы воздух – водяной пар , . Тогда имеем:

(5.10)

Итак, установлена связь между влагосодержанием х и относительной влажностью φ воздуха.

Удельная теплоемкость влажного газа принимается аддитивной величиной теплоемкостей сухого газа и пара.

Удельная теплоемкость влажного газа c , отнесенная к 1 кг сухого газа (воздуха):

(5.11)

где удельная теплоемкость сухого газа, удельная теплоемкость пара.

Удельная теплоемкость , отнесенная к 1 кг парогазовой смеси:

(5.12)

При расчетах обычно используют с .

Удельная энтальпия влажного воздуха Н относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха Т как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара :

(5.13)

Удельную энтальпию перегретого пара определяют по следующему выражению.

Сушка – это процесс удаления влаги из материалов.

Влагу можно удалять механическим способом (отжимом, фильтрованием, центрифугированием) или тепловым , т. е. путем испарения влаги и отвода образующихся паров.

По своей физической сущности сушка является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению теплоты и влаги внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

– конвективная сушка –непосредственное соприкосновение высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);

– контактная сушка –передача теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

– радиационная сушка –передача теплоты инфракрасными лучами;

– диэлектрическая сушка – нагревание в поле токов высокой частоты;

– сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме.

Форма связи влаги в материале

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с продуктом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. Процесс удаления влаги из продукта сопровождается нарушением ее связи с продуктом, на что затрачивается определенная энергия.

Все формы связи влаги с продуктом делятся на три большие группы: химическая связь, физико-химическая связь, физико-механическая связь. В процессе сушки пищевых продуктов удаляется, как правило, физико-химически и физико-механически связанная влага.

Химически связанная вода удерживается наиболее прочно и при нагревании материала до 120…150 °С не удаляется. Химически связанная влага наиболее прочно соединена с продуктом и может быть удаляется только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена из продукта при сушке.

Физико-механическая связанная влага – это жидкость, находящаяся в капиллярах, и жидкость смачивания.

Влага в капиллярах подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров . Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом. В микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Адсорбционная влага прочно удерживается на поверхности и в порах тела. Осмотически связанная влага , называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания.

Основные параметры влажного воздуха

При конвективной сушке теплоноситель (сушильный агент) передает продукту теплоту и уносит влагу, испаряющуюся из продукта. Таким образом, сушильный агент играет роль тепло- и влагоносителя. Состояние влажного воздуха характеризуется следующими параметрами: барометрическое давление и парциальное давление пара, абсолютная и относительная влажность, влагосодержание, плотность, удельный объем, температура и энтальпия. Зная три параметра влажного воздуха, можно найти все остальные.

Абсолютной важностью воздуха называется масса водяного пара, находящегося в 1 м 3 влажного воздуха (кг/м 3).

Относительной влажностью воздуха , т.е. степенью насыщения воздуха  , называется отношение абсолютной влажности к максимально возможной массе водяного пара (
), которая может содержаться в 1 м 3 влажного воздуха при тех же условиях (температура и барометрическое давление),

, т. е.
100. (1)

Масса водяного пара, кг, содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха:

, (2)

Энтальпия I влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха t °С как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха
и водяного пара
(Дж/кг сухого воздуха):

, (3)

где с с.в – средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха, Дж/(кгК); i n – энтальпия водяного пара, кДж/кг.

I  d -диаграмма влажного воздуха. Основные свойства влажного воздуха можно определять при помощи I  x -диаграммы, впервые разработанной Л.К. Рамзиным в 1918 г. Диаграмма I –х (рис. 1) построена для постоянного давления Р = 745мм рт. ст. (около 99 кН/м 2).

На вертикальной оси ординат отложена в определенном масштабе энтальпия I , а на оси абсцисс – влагосодержание d . Ось абсцисс расположена под углом 135 к оси ординат (для увеличения рабочей части поля диаграммы и удобства разворота кривых  = const).

На диаграмме нанесены линии:

постоянного влагосодержания (d = соnst) – вертикальные прямые, параллельные оси ординат;

постоянной энтальпии (I = const) – прямые, параллельные оси абсцисс, т. е. идущие под углом 135° к горизонту;

постоянных температур, или изотермы (t = const);

постоянной относительной влажности ( = const);

парциальных давлений водяного пара р п во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы.

Рис. 1. I –d- диаграмма

Атмосферный воздух практически всегда является влажным за счёт испарения в атмосферу воды с открытых водоёмов, а также вследствие горения органических топлив с образованием воды и т.п. Нагретый атмосферный воздух очень часто используется для сушки различных материалов в сушильных камерах и в других технологических процессах. Относительное содержание водяных паров в воздухе также является одной из важнейших составляющих климатического комфорта в жилых помещениях и в помещениях для длительного хранения продовольственных товаров и промышленных изделий. Эти обстоятельства определяют важность изучения свойств влажного воздуха и расчёта процессов сушки.

Здесь мы рассмотрим термодинамическую теорию влажного воздуха в основном с целью научиться рассчитывать процесс сушки влажного материала, т.е. научиться рассчитывать расход воздуха, который бы обеспечивал необходимую скорость сушки материала при заданных параметрах сушильной установки, а также с целью рассмотреть вопросы анализа и расчёта установок климатизации и кондиционирования воздуха.

Водяной пар, который присутствует в воздухе, может находиться либо в перегретом состоянии, либо в насыщенном. При определённых условиях водяной пар в воздухе может конденсироваться; тогда влага выпадает в виде тумана (облака), либо происходит запотевание поверхности – выпадение росы. Тем не менее, несмотря на фазовые переходы, находящийся во влажном воздухе водяной пар может с большой точностью рассматриваться как идеальный газ вплоть до состояния сухого насыщенного. В самом деле, например, при температуре t = 50 о С насыщенный водяной пар имеет давление p s = 12300 Па и удельный объём . Имея в виду, что газовая постоянная для водяного пара

т.е. при этих параметрах даже насыщенный водяной пар с ошибкой не более 0.6% ведёт себя как идеальный газ.

Таким образом, мы будем рассматривать влажный воздух как смесь идеальных газов с той лишь оговоркой, что в состояниях, близких к насыщению параметры водяного пара будут определяться по таблицам или диаграммам.

Введём некоторые понятия, характеризующие состояние влажного воздуха. Пусть в объёме пространства 1 м 3 находится влажный воздух в равновесном состоянии. Тогда количество сухого воздуха в этом объёме будет по определению плотностью сухого воздуха ρ св (кг/м 3), а количество водяного пара соответственно ρ вп (кг/м 3). Это количество водяного пара называется абсолютной влажностью влажного воздуха. Плотность влажного воздуха будет, очевидно,

При этом следует иметь в виду, что плотности сухого воздуха и водяного пара должны вычисляться при соответствующих парциальных давлениях, таким образом, что

т.е. мы считаем справедливым закон Дальтона для влажного воздуха.

Если температура важного воздуха равна t , то

Часто вместо плотности водяных паров , т.е. вместо абсолютной влажности, влажный воздух характеризуют так называемым влагосодержанием d , которое определяют как количество водяных паров, приходящееся на 1 кг сухого воздуха. Для определения влагосодержания d выделим во влажном воздухе некоторый объём V 1 , такой чтобы масса сухого воздуха в нём составляла 1 кг, т.е. размерность V 1 в нашем случае есть м 3 /кг св. Тогда количество влаги в этом объёме будет d кг вп /кг св. Очевидно, что влагосодержание d связано с абсолютной влажностью ρ вп. В самом деле, масса влажного воздуха в объёме V 1 равна

Но поскольку объём V 1 мы выбрали так, чтобы в нём содержался 1 кг сухого воздуха, то очевидно . Второе же слагаемое есть по определению влагосодержание d , т.е.

Считая сухой воздух и водяной пар идеальными газами, получим

С учётом находим связь влагосодержания с парциальным давлением водяных паров в воздухе

Подставляя сюда численные значения , имеем окончательно

Поскольку водяной пар всё-таки не является идеальным газом в том смысле, что его парциальное давление и температура значительно ниже критических, влажный воздух не может содержать произвольное количество влаги в виде пара. Проиллюстрируем это на диаграмме p–v водяного пара (см. рис. 1).

Пусть начальное состояние водяных паров во влажном воздухе изображается точкой С. Если теперь при постоянной температуре t С добавлять во влажный воздух влагу в виде пара, например, путём испарения воды с открытой поверхности, то точка, изображающая состояние водяного пара, будет перемещаться вдоль изотермы t С =const влево. Плотность водяного пара во влажном воздухе, т.е. его абсолютная влажность, будет возрастать. Это увеличение абсолютной влажности будет продолжаться до тех пор, пока водяной пар при заданной температуре t С не станет сухим насыщенным (состояние S). Дальнейшее увеличение абсолютной влажности при заданной температуре невозможно, так как водяной пар начнёт конденсироваться. Таким образом, максимальное значение абсолютной влажности при заданной температуре есть плотность сухого насыщенного пара при этой температуре, т.е.

Отношение абсолютной влажности при заданной температуре и максимально возможной абсолютной влажности при той же температуре называется относительной влажностью влажного воздуха, т.е. по определению имеем

Возможен также другой вариант конденсации паров во влажном воздухе, а именно изобарное охлаждение влажного воздуха. Тогда остаётся постоянным и парциальное давление водяного пара в воздухе. Точка C на диаграмме p–v будет смещаться влево вдоль изобары вплоть до точки R. Далее начнётся выпадение влаги. Такая ситуация очень часто осуществляется летом в течение ночи при охлаждении воздуха, когда на холодных поверхностях выпадает роса, а в воздухе образуется туман. По этой причине температура в точке R, при которой начинает выпадать роса, называется точкой росы и обозначается t R . Она определяется как температура насыщения, соответствующая заданному парциальному давлению пара

Энтальпия влажного воздуха в расчёте на 1 кг сухого воздуха вычисляется суммированием

при этом учитывается, что энтальпии сухого воздуха и водяного пара отсчитываются от температуры 0 о С (точнее от температуры тройной точки воды, равной 0.01 о С).

Как известно, сухой воздух (СВ) состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и около 1% составляют диоксид углерода, инертные и другие газы. Если в воздухе имеются , то такой воздух называется влажным воздухом (ВВ). Учитывая, что при вентиляции помещений состав сухой части воздуха практически не изменяется, а может изменяться только количество влаги, в вентиляции принято рассматривать ВВ как бинарную смесь, состоящую только из двух компонентов: СВ и водяные пары (ВП). Хотя к этой смеси применимы все газовые законы, однако при вентиляции с достаточной точностью можно считать, что воздух практически все время находится под атмосферным давлении, так как давления вентиляторов достаточно малы по сравнению с барометрическим давлением . Нормальное атмосферное давление составляет 101,3 кПа, а давления, развиваемые вентиляторами, составляют обычно не более 2 кПа. Поэтому нагрев и воздуха в вентиляции происходят при постоянном давлении.

Из термодинамических параметров ВВ, которыми оперируют в курсе вентиляции, можно выделить следующие :

1. плотность;
2. теплоемкость;
3. температура;
4. влагосодержание;
5. парциальное давление водяного пара;
6. относительная влажность;
7. температура точки росы;
8. энтальпия (теплосодержание);
9. температура по мокрому термометру.

Термодинамические параметры определяют состояние ВВ и определенным образом связаны друг с другом. Особыми, не термодинамическим параметром, являются подвижность, то есть скорость воздуха, и концентрация вещества (кроме влаги). Они никак не связаны с остальными термодинамическими параметрами и могут быть любыми независимо от них.

Под воздействием различных факторов может изменять свои параметры. Если воздух, заключенный в некотором объеме (например, помещении), находится в контакте с горячими поверхностями, он нагревается , то есть повышается его температура. При этом нагреву подвергаются непосредственно те слои, которые граничат с горячими поверхностями. Из-за нагрева изменяется , и это приводит к возникновению конвективных течений : происходит процесс турбулентного обмена. За счет наличия турбулентного перемешивания воздуха в процессе вихреобразования воспринятая пограничными слоями постепенно передается более удаленным слоям, в результате чего весь объем воздуха както повышает свою температуру.

Из рассмотренного примера ясно, что слои близкие к горячим поверхностям, будут иметь температуру более высокую, чем удаленные. Иначе говоря, температура по объему не одинакова (и иногда различается весьма значительно). Поэтому температура, как параметр воздуха, в каждой точке будет иметь свое индивидуальное, локальное значение. Однако характер распределения локальных температур по объему помещения предсказать крайне трудно, поэтому в большинстве ситуаций приходится говорить о неком среднем значении того или иного параметра воздуха. Среднее значение температуры выводится из предположения, что воспринятое тепло окажется равномерно распределено по объему воздуха, и температура воздуха в каждой точке пространства будет одинакова.

Более менее изучен вопрос о распределении температуры по высоте помещения, однако даже в этом вопросе картина распределения может сильно изменяться под действием отдельных факторов : струйных течений в помещении, наличия экранирующих поверхностей строительных конструкций и оборудования, температуры и размеров тепловых источников.

Абсолютной влажностью воздуха ρ п, кг/м, называют массу водяного пара, содержащегося в 1 м 3 влажного воздуха, т. е. абсолютная влажность воздуха численно равна плотности пара при данном парциальном давлении Р п и температуре смеси t.

Влагосодержанием называют отношение массы пара к массе сухого воздуха, содержащегося в том же объеме влажного газа. Из-за малых значений массы пара во влажном воздухе влагосодержание выражают в граммах на 1 кг сухого воздуха и обозначают через d. Относительной влажностью φ называют степень насыщения газа паром и выражают отношением абсолютной влажности ρ п к максимально возможной при тех же давлениях и температуре ρ н.

Применительно к произвольному объему влажного воздуха V, в котором содержится D п кг, водяного пара и L кг, сухого воздуха при барометрическом давлении Р б и абсолютной температуре Т можно записать:

(5.2)

(5.3)

(5.4)

Если влажный воздух рассматривать как смесь идеальных газов, для которых справедлив закон Дальтона, Р б = Р в + Р п, и уравнение Клапейрона, PV=G∙R∙T, то для ненасыщенного воздуха:

(5.5)

для насыщенного воздуха:

(5.6)

где D п, D н - масса пара в ненасыщенном и насыщенном состояниях воздуха;
R п - газовая постоянная пара.

Откуда следует:

(5.7)

Из уравнений состояния, записанного для воздуха и пара, получают:

(5.9)

Соотношение газовых постоянных воздуха и пара составляет 0,622, тогда:

Поскольку в процессах теплообмена с участием влажного воздуха масса сухой его части остается неизменной, то при теплотехнических расчетах удобно пользоваться энтальпией влажного воздуха Н, отнесенной к массе сухого воздуха:

где С в - средняя удельная теплоемкость сухого воздуха в интервале температур 0÷100 о С, (С в = 1,005кДж/кг∙К); С п - средняя удельная теплоемкость водяного пара (С п =1,807 кДж/кг∙К).

Изображение изменения состояния влажного газа в промышленных установках приведено на Н-d-диаграмме (рис. 5.3).

Н-d-диаграмма - это графическое изображение при выбранном барометрическом давлении основных параметров воздуха (H, d, t, φ, Р п). Для удобства практического использования Н-d-диаграммы применяют косоугольную систему координат, в которой линии Н = const расположены под углом в = 135 о к вертикали.

Рисунок 5.3 - Построение линий t = const, Р п и φ = 100 % в H-d-диаграмме

Точка а соответствует Н = 0. От точки а вниз откладывают в принятом масштабе вверх положительное значение энтальпии, вниз - отрицательное, соответствующее отрицательным значениям температур. Для построения линии t=const используют уравнение Н =1,0t + 0,001d(2493+1,97t). Угол α между изотермой t = 0 и изоэнтальпой Н = 0 определяют из уравнения:

Отсюда α≈45°, а изотерма t = 0 о С представляет собой горизонтальную линию.

При t > 0 каждую изотерму строят по двум точкам (изотерму t 1 по точкам б и в ). С ростом температуры составляющая энтальпии увеличивается, что приводит к нарушению параллельности изотерм.

Для построения линии φ = const наносят в определенном масштабе линию парциальных давлений пара в зависимости от влагосодержания. Р п зависит от барометрического давления, поэтому диаграмму строят для Р б = const.

Линию парциального давления строят по уравнению:

(5.11)

Задаваясь значениями d 1 , d 2 , и определяя Р п1 Р п2 находят точки г, д..., соединяя которые, получают линию парциального давления водяного пара.

Построение линий φ = const начинают с линии φ =1 (Р п = P s). Используя термодинамические таблицы водяного пара, находят для нескольких произвольных температур t 1 , t 2 ... соответствующие значения P s 1 , P s 2 ...Точки пересечения изотерм t 1 , t 2 ... с линиями d = const, соответствующими P s 1 , P s 2 ..., определяют линию насыщения φ = 1. Область диаграммы, лежащая выше кривой φ = 1, характеризует ненасыщенный воздух; область диаграммы ниже φ = 1 характеризует воздух, находящийся в насыщенном состоянии. Изотермы в области ниже линии φ = 1 (в области тумана), претерпевают излом и имеют направление, совпадающее с Н = const.

Задаваясь различной относительной влажностью и вычисляя при этом P п =φP s , строят линии φ = const аналогично построению линии φ = 1.

При t = 99,4 о С, что соответствует температуре кипения воды при атмосферном давлении, кривые φ = const претерпевают излом, поскольку при t≥99,4 о С P п max = P б. Если , то изотермы отклоняются влево от вертикали, а если , линии φ = const будут вертикальны.

При нагревании влажного воздуха в рекуперативном ТА увеличивается его температура, энтальпия, уменьшается относительная влажность. Соотношение масс влаги и сухого воздуха при этом остается неизменным (d = const) - процесс 1-2 (рис. 5.4 а).

В процессе охлаждения воздуха в рекуперативном ТА температура и энтальпия понижаются, относительная влажность повышается, а влагосодержание d остается неизменным (процесс 1-3). При дальнейшем охлаждении воздух достигнет полного насыщения, φ=1, точка 4. Температура t 4 называется температурой точки росы. При снижении температуры от t 4 до t 5 конденсируются (частично) водяные пары, образуется туман, снижается влагосодержание. При этом состояние воздуха будет соответствовать насыщению при данной температуре, т. е. процесс будет идти по линии φ = 1. Из воздуха удаляется капельная влага d 1 - d 5 .

Рисунок 5.4 - Основные процессы изменения состояния воздуха в H-d- диаграмме

При смешении воздуха двух состояний энтальпия смеси Н см:

Кратность смешения к = L 2 /L 1

а энтальпия
(5.13)

В H-d-диаграмме точка смеси лежит на прямой, соединяющей точки 1 и 2 при k → ~ H см = H 2 , при к → 0, H см → H 1 . Возможен случай, когда состояние смеси окажется в области пересыщенного состояния воздуха. В этом случае образуется туман. Точка смеси выносится по линии H = const на линию φ = 100 %, часть капельной влаги ∆d выпадает (рис. 5.4 б).