2 Взаимодействие влажного материала и воздуха

Взаимодействие влажного материала с влажным воздухом может происходить в двух направлениях:

а) если парциальное давление пара у поверхности материалаР_м больше парциального давления пара в воздухе Р_n (Р_м> Р_n), то будет происходить процесс испарения сушки (десорбция);

б) если парциальное давление пара у поверхности материалаР_м меньше парциального давления пара в воздухе Р_n (Р_м< Р_n), то материал будет увлажняться за счет поглощения пара из окружающего воздуха (сорбция).

Через некоторое время, когда Р_м и Р_n станут равны, наступит динамическое равновесие. Влажность материала, соответствующая состоянию равновесия, называется равновесной влажностью _р.

Равновесная влажность зависит от свойств материала и от парциального давления пара в воздухе Р_n, или от его относительной влажности а также от температуры Т. Эта зависимость, представленная в виде графика называется изотермой сорбции-десорбции (рисунок 1).

Рисунок 1 – Изотерма сорбции-десорбции влаги в материале применительно к процессу конвективной сушки

Если от какой-либо точки на изотерме увеличить , т.е. создать условия, при которых Р_n>Р_м , то произойдет испарение (десорбция).

Максимальную влажность, которую может иметь материал за счет сорбции влаги из окружающей среды (максимальная сорбционная емкость при  = 100 %), называют гигроскопической влажностью _гс. Ее определяют на графике изотермы сорбции по точке пересечения изотермы с линией  = 100 %.

Гистерезис на кривой сорбции-десорбции обусловлен наличием микропор, наполнение и удаление влаги из которых, происходит на разном энергетическом уровне.

Анализ кривой равновесной влажности имеет важное значение для уточнения характера связи влаги с материалом.

1. На участке изотермы ОА, т.е. при небольшой влажности материала ее увлажнение происходит за счет мономолекулярной адсорбции, протекающей с очень большой скоростью. Причем, т.к. различные участки поверхности тела обладают различным адсорбционным потенциалом, то вначале образование уплотненного мономолекулярного слоя влаги происходит по "активным центрам" поверхности, представляющим собой отдельные атомы или группы атомов поверхности, силовое поле которых наименее насыщенно. Увлажнение материала на этом участке сопровождается значительным выделением тепла – теплота мономолекулярной адсорбции величина такого же порядка, как и теплота фазового перехода из парообразного в жидкое состояние. Таким образом, при сушке на удаление влаги мономолекулярной адсорбции должна быть затрачена энергия (1,2...1,6)·r_n , здесь r_n– теплота фазового перехода, Дж/кг.

2. На участке изотермы АВ увлажнение материала происходит за счет полимолекулярной адсорбции при значительно меньшем выделении тепла, т.е. с увеличением влажности материала теплота сорбции уменьшается.

3. Участок кривой равновесной влажности ВС соответствует в основном влаге микрокапилляров (r< 10^-7, м ). Энергия адсорбции влаги в микрокапиллярах (капиллярная конденсация) обычно значительно превышает энергию, выделяющуюся при фазовом переходе парообразного вещества в жидкое.

При десорбции, т.е. сушке удаление влаги происходит в обратном порядке. В начальный момент удаляется поверхностная влага смачивания и свободная влага макрокапилляров. В этот период материал прогревается от начальной температуры t_НАЧдо температуры мокрого термометра t_MT участок АВ на кинетической кривой сушки (Рисунок 2). Удаление свободной или слабосвязанной влаги происходит практически при постоянной температуре, равной температуре мокрого термометра t_MT, (участок ВС на кривой сушки и соответствующий по времени участок термограммы сушки). В первый период количественный съем влаги прямо пропорционален времени сушки, т. е. ВС – прямая линия с тангенсом угла наклона численно равным скорости сушки N (Рисунок 3). В дальнейшем интенсивность влагосъемападает и сушка переходит во второй период – период падающей скорости сушки (участок СД). В этот период удаляется связанная влага и на отрыв влаги от материала тратится все больше энергии. Поэтому количественный съем влаги в единицу времени / все время уменьшается, достигая нулевого значения в т. Д, после которой остаточная влажность не меняется со временем, достигая своего предельно возможного минимального значения _р при данных параметрах сушки.

Углубление зоны испарения влаги приводит к перегреву поверхностных слоев материала и росту средне взвешенного значения температуры материала, которая к концу процесса сушки (т. Д) достигает значения температуры воздуха в сушильной камере t_CA.

Рисунок 2 – Кривая сушки и термограмма сушки

Рисунок 3 – Кривая скорости сушки

Описание экспериментальной установки и порядок выполнения работы

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 4. Установка состоит из сушильного шкафа 4 с регулятором температуры 5, электронных весов 1 с подвешенным на них бюксом 3 и термометра 2.

1. Установка готовится к работе лаборантом.

2. Установка готова к работе после достижения заданной температуры на термометре 2 и перехода терморегулятора 5 на режим кратковременного включения- выключения.

3. В сушильный шкаф 4 подвешивается бюкс 3 с влажным образцом. Момент помещения материала в шкаф 4 является начальной точкой отсчета процесса сушки.

4. В протоколе испытаний фиксируется время от начала процесса через каждые 2 мин. И соответствующие времени показания торсионных весов 1.

Методика проведения испытаний

1. Опыты проводят на лабораторной установке, представленной на

рисунке 4.

2. Высушиваемый образец формируют в виде пластины заданной толщины, величину которой заносят в протокол №1.

3. Образец устанавливают в бюксе и прикрепляют к рычагу электронных весов.

4. В процессе сушки фиксируют время от начала испытаний, температуру сухого и мокрого термометров и текущий вес материала.

5. Опыт продолжают до тех пор, пока показания весов останутся неизменными в течение трех опытов.

Обработка результатов измерений

1. По данным опытов для каждого замера показаний торсионных весов по тарировочному графику определяется полный вес навески g вместе с бюксомg_б.

2. Определяют вес влажного материала G:

(5)

3. Рассчитывают влажность материала :

   (6)

4. После определения влажности материала  в каждый момент времени  и заполнения протокола №1 строят график зависимости= ().

5. Далее определяют изменение скорости сушки / в каждый отрезок времени, для этого от каждого предыдущего значения вычитают последующее значение влажности материала( = _i- _{i + L})и определяют их среднее значение (=/2). По полученным данным строят график зависимости/=().

6. Из графика/=()определяют скорость сушки в первый период N.

7. Определяют коэффициенты внутренней диффузии влагиD_m и коэффициент внешнеговлагообменапутем обработки экспериментальных данных.

8. Для нахождения массообменных коэффициентов решают дифференциальное уравнение внутренней диффузии влаги

(7)

Решение этого уравнения для одномерной задачи было найдено А.В. Лыковым, которое после промежуточных преобразований может быть представлено в виде:

(8)

где ^с–текущая влажность материала;

_р, _к – равновесная и первая критическая влажность;

Bi_m - диффузионный критерий Био:

(9)

гдеR – характерный геометрический размер высушиваемого образца, для односторонней сушкиR= h, т.е. толщине слоя высушиваемого материала;

 - корни характеристического уравнения:

(10)

В уравнении (8) константа перед функцией времени  - является тангенсом угла наклона прямой линии, построенной в логарифмических координатах для периода падающей скорости сушки:

(11)

где

(12)

Из уравнения (11) определяют коэффициенты внутренней диффузии влаги D_m:

(13)

Затем определяют коэффициент внешнеговлагообмена:

	(14)
	(15)

где _в, _с – влажность материала в т. В и С на кривой сушки;

 - относительная влажность воздуха;

P_н, p_м, p_n – парциальное давление насыщенных водяных паров, давление над поверхностью материала и в окружающей среде;

_i – продолжительность первого периода сушки:

(16)

Разность давлений в уравнении (14) определяем по формуле Шпрунга:

(17)

где В – барометрическое давление, Па;

T_с, t_м – температура сухого и мокрого термометра.

Протокол №1

Материал	Начальная толщина образца h, м	Масса бюкса g5, г	Масса навески с бюксом до сушки g1, г	Масса навески с бюксом после сушки g2, г	Масса образца до сушки G1, г	Масса образца после сушки G2, г	Масса влаги в образце до сушки W, г	Влажность материала	Средняя влажность материала ω, %

Протокол №2

Время от начала испытания t, мин	Время между замерами Δt, мин	Показания торсионных весов n	Масса образца с бюксомg, г	Масса образца G, г	Убыль массы ΔG, г	Масса влаги W, г	Влажность образца ω, %	Температура сухого термометра tc, °C	Температура мокрого термометра tмт, °C

Протокол №3

№ точки	Текущее значение влажности	Последующее значение влажности	Изменение влажности за время Δτ,	Средняя влажность за время Δτ,	Скорость сушки	Скорость сушки в первый период	Коэффициент внутренней диффузии	Коэффициент внешнеговлагообмена β

1 – электронные весы; 2 – термометр; 3 – измерительный бюкс; 4 – сушильный шкаф; 5 – регулятор температуры

Рисунок 4 – Лабораторная установка для исследования процесса сушки