38. Явления влаго и теплопереноса в процессе сушки

Перенос влаги всегда связан с переносом тепла: перенос некоторого объема или отдельных молекул воды и пара, обладающих запасом внутренней энергии, означает и перенос тепла, поэтому процессы влаго- и теплопереноса рассматриваются в их неразрывной связи. Интенсивность переноса влаги и тепла, которая определяет интенсивность и скорость сушки, зависит от разности потенциалов влаго- и теплопереноса. Потенциалы влаго- и теплопереноса находятся в линейной зависимости от температуры и влагосодержания тела и от давления пара, поэтому в расчетах интенсивности и скорости сушки они заменяются градиентами температуры, влагосодержания и давления. Пользоваться понятием градиентов удобнее, так как механизм влаго- и теплопереноса может быть скрыт от исследователя и технолога, а градиенты можно вычислить.

Виды влагопереноса во влажных телах. Если интенсивность теплообмена между теплоносителем и влажным телом невелика, тело насыщено влагой, то сушка происходит в изотермических условиях, а испарение влаги с поверхности тела создает в нем градиент влагосодержания. Движение влаги только под действием градиента влагосодержания называют диффузией. Под этим термином подразумеваются различные виды молярного и молекулярного переноса свободной и связанной жидкости. В зависимости от вида тел и форм связи влаги с материалом различают капиллярную диффузию и пленочное движение, а также концентрационную и избирательную диффузии.

Капиллярная термодиффузия - это молярное движение жидкости макрокапилляров под действием разности капиллярных потенциалов, которая возникает и в капиллярах постоянного радиуса вследствие понижения поверхностного натяжения с повышением температуры. Термодиффузия пара - это движение в макрокапиллярах молекул, обладающих большой кинетической энергией, к менее нагретым участкам. Тепловое скольжение жидкости - это молекулярное движение тонкого пристеночного слоя вследствие различного теплосодержания (энтальпии) пристеночного слоя и всей массы жидкости, заполняющей капилляр. Тепловое скольжение пара - это движение тонкого пристеночного слоя вдоль неравномерно нагретой стенки капилляра, которое происходит под действием составляющей сил противодействия от ударов молекул газа о стенки капилляра. Тепловое пленочное движение - это молярное движение адсорбированной на стенках капилляров жидкости вследствие понижения сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела с повышением температуры.

В процессах капиллярной термодиффузии жидкости и термодиффузии пара влага движется от участков с большей температурой к участкам с меньшей температурой, в направлении, противоположном вектору температурного градиента, а при тепловом скольжении и тепловом пленочном движении - по направлению вектора. В микрокапиллярах при больших температурных градиентах интенсивность теплового скольжения приближается по величине к интенсивности других видов влагопереноса.

Филътрационный перенос - это молярное перемещение пара в виде ламинарного или турбулентного потока, характерное для макрокапилляров. Бародиффузия характерна для газовых смесей, состоящих из компонентов с разной молекулярной массой М. У сухого воздуха , а у пара . В процессе бародиффузии молекулы пара (с меньшей молекулярной массой) перемещаются в область пониженного давления - наружу, а молекулы окружающего воздуха движутся внутрь макрокапилляров. В микрокапиллярах эти виды движения заменяются эффузией - молекулярным переносом, в котором молекулы пара воздуха движутся независимо друг от друга, постоянно сталкиваясь со стенками капилляра, со скоростью, которую они приобрели при входе в устье капилляра. При радиусе капилляра м, когда его размер приближается к средней длине свободного пробега молекул, интенсивность эффузии в 1,5 раза выше бародиффузии.

При наличии градиента давления пар перемещается от участков с высоким давлением к участкам с меньшим давлением, в направлении, противоположном вектору градиента давления. Воздух в процессах бародиффузии и эффузии перемещается по направлению вектора gradp.

Интенсивность всех видов влагопереноса при наличии градиентов gradu, gradT и gradp определяется по уравнению

где D - коэффициент диффузии, - плотность сухого тела, ; - относительный коэффициент термодиффузии: - коэффициент термодиффузии, - коэффициент молярного переноса, с/м.

При малой интенсивности теплообмена последний член уравнения отсутствует. Коэффициенты D и зависят от вида тел, форм связи влаги с материалом, влагосодержания и температуры тела.

Особенности влагопереноса в различных телах. В капиллярно-пористых телах влага в основном связана в макро- и микрокапиллярах, но имеется также незначительное количество адсорбционной влаги. Коэффициент диффузии капиллярно-пористого тела возрастает с увеличением влагосодержания и температуры тела. Относительный коэффициент термо диффузии капиллярно-пористого тела зависит от влагосодержания и температуры, причем характер кривых (U) определяется видом влагопереноса. Для большинства тел он увеличивается с повышением влагосодержания, достигает наибольшего значения, затем остается постоянным или уменьшается.

Влагоперенос в коллоидных телах. Для коллоидных тел характерны адсорбционная, осмотическая связи и связь влаги в микрокапиллярах, средний радиус которого того же порядка, что и размер молекул и мицелл коллоидного тела. Диффузия влаги в коллоидном теле складывается из концентрационной и избирательной диффузии и пленочного движения жидкости. Коэффициент диффузии коллоидного тела D зависит от влагосодержания: с повышением влагосодержания он несколько увеличивается, достигает максимума, затем уменьшается (рис. 1.11, а ).

Термодиффузия влаги в коллоидном теле складывается из теплового скольжения и теплового пленочного движения жидкости, а также теплового скольжения и эффузии пара. Относительный коэффициент термодиффузии коллоидных тел зависит от влагосодержания и температуры. Эта зависимость имеет четко выраженный максимум, положение которого определяет границу между адсорбционной и осмотической связями влаги. С повышением температуры относительный коэффициент термодиффузии уменьшается.

Осмотически связанная влага легко удаляется лишь с поверхности коллоидного тела. Движение ее внутри тела замедлено, так как на пути к поверхности она преодолевает многочисленные стенки клеток или, оказавшись в межклеточном пространстве, движется как влага микрокапилляров. Попытки интенсифицировать процесс сушки приводят к образованию поверхностной корки: наружные слои быстро обезвоживаются, дают сильную усадку, роговеют, теряют способность пропускать влагу. По этим причинам сушку коллоидных тел следует проводить при умеренных градиентах влагосодержания и температуры.

Влагоперенос в капиллярно-пористых коллоидных телах. В капиллярно-пористых коллоидных телах могут быть все формы связи влаги с материалом и, следовательно, все виды влагопереноса. Для капиллярно-пористого коллоидного тела, имеющего осмотическую влагу, зависимость коэффициента диффузии от влагосодержания имеет три участка (А, Б и В, рис. 1.11, б), максимум и минимум, так как в процессе сушки сначала удаляется влага макрокапилляров практически одинакового диаметра, затем осмотическая, а при малом влагосодержании (менее 0,3 кг/кг) - влага микрокапилляров и полимолекулярной адсорбции. На участке А кривой D (u) коэффициент диффузии возрастает с увеличением влагосодержания, при этом влагоперенос наиболее прочных форм связи (влаги полимолекулярной адсорбции и микрокапилляров) происходит в виде пара и жидкости. Снижение коэффициента Она участке Б объясняется тем, что при данном влагосодержании молекулярный перенос вследствие избирательной диффузии преобладает над молярным переносом в макрокапиллярах. Резкое повышение коэффициента D при больших значениях влагосодержания (участок В кривой) и соответствующее падение относительного коэффициента термодиффузии свидетельствуют о том, что при данном влагосодержании жидкостью заполняются макрокапилляры практически одинакового радиуса. Характер изменения относительного коэффициента термодиффузии капиллярно-пористых коллоидных тел в зависимости от влагосодержания аналогичен изменению относительного коэффициента термодиффузии капиллярно-пористых тел.