8.3. Периоды процесса сушки
Для знакомства с динамикой изменения температур и влагосодержаний в материале в процессе сушки представим, что капиллярно-пористый материал с начальными влагосодержанием u0 и температурой t0 помещен в установку с непрерывно меняющимся сушильным агентом и постоянной температурой tc. Характер изменений этих параметров в различные периоды сушки дан на рис. 8.1. Распределение температур, влагосодержаний и давлений в материале представлен на примере неограниченной пластины толщиной 2х (рис. 8.2.).
Рис. 8.1. График сушильного процесса
В первый период (I) сушки – период прогрева (I) – происходит прогрев материала и температура в установке повышается от t0 до tII. Температура на поверхности материала значительно выше чем в центре (t1); поток массы (рис. 8.1, а), вызванный градиентом температур, направлен к центру изделия. Поток массы q'u (рис. 8.1, б), вызванный градиентом влагосодержаний, направлен к поверхности, так же, как и поток массы q'p (рис. 40, в), вызванный градиентом давлений. Градиент температур оказывает тормозящее действие на передвижение влаги к поверхности, что отражается в уравнении плотности потока для периода I:
q’I = q’u – q’t + q’p (8.3)
Интенсивность испарения влаги в течение первого периода сушки, возрастает, а влажность материала снижается незначительно.
Период II называется периодом постоянной скорости сушки и характеризуется постоянной температурой материала как на поверхности, так и в центре его, равной температуре мокрого термометра.
Парциальное давление паров на поверхности равно давлению насыщения. Внешняя поверхность покрыта слоем влаги и скорость сушки определяется условиями внешней диффузии пара через пограничный слой в окружающую газовую среду. Градиенты температур отсутствуют; передвижение влаги к поверхности зависит от градиентов влагосодержаний и давлений:
q’I = q’u + q’p (8.4)
Сушка происходит о постоянной интенсивностью, приближающейся к интенсивности испарения влаги со свободной поверхности, превышая ее на 10...20 % за счет влияния структуры поверхности материала, а при высокоинтенсивной сушке – за счет перехода процесса испарения внутрь материала.
Процесс заканчивается, когда свободная влага полностью испарится, влагосодержание снизится до критического uк, а влагосодержание на поверхности – до гигроскопического uг, соответствующего влажности материала при длительном воздействии на него насыщенной парами окружающей среды. Точка Г (рис. 8.1) разделяет влажное состояние материала (период II) от гигроскопического (период III).
Период III сушки материалов называется периодом падающей скорости сушки. Основная влага удалена из материала в предыдущем периоде, поэтому скорость сушки зависит, в основном, от скорости перемещения влаги внутри материала по капиллярам и порам. Теплота в период III расходуется не только на испарение влаги, как в периоде II, а также на нагрев материала.
Рис. 8.2. Схема направлений градиентов и частных потоков массы при сушке: а, б, в – градиенты температур, влагосодержаний, давлений; I, II, III – периоды сушки
Температура поверхности выше температуры мокрого термометра (tп > tм и приближается к температуре сушильного агента tс; за счет теплопроводности материала прогревается и весь его объем, температура центра растет. В результате вновь возникает перепад температур на участке поверхность – центр, а поток массы qt, вызванный градиентом температур, направлен внутрь материала. Часть водяных паров конденсируется в порах, давление паров вследствие уменьшения их конденсации становится меньше давления насыщенных паров при той же температуре. Градиент давлений направлен к поверхности, а частный поток массы q’p –внутрь материала. Градиент влагосодержоний направлен внутрь материала, а частный поток массы q’u – к поверхности. Удаление влаги продолжается, однако интенсивность испарения уменьшается и по достижении материалом равновесии влажности становится равной нулю. Равновесная влажность материала up соответствует тепловому и влажностному равновесию с окружающей средой и зависит от структуры материала, его температуры и относительной влажности среды .
Уравнение плотности потока массы для периода падающей скорости сушки (период III) записывается в следующем виде:
q’I = q’u – q’t + q’p (8.5)