8. Питання для самоперевірки.

1. В якому процесі циклу теплота відводиться від охолоджуємих тіл?

2. В якому процесі циклу теплота віддається навколишньому середовищу? Показати на T,S-діаграмі площу, яка відповідає цій теплоті.

3. Яка площа на T,S-діаграмі відповідає втраті холодопродуктивності внаслідок

незворотності процесу дроселювання?

4. Який відрізок на P,h-діаграмі відповідає роботі компресора?

5. Які вимоги пред’являються до холодоагентів?

6. Що таке холодильний коефіцієнт?

7. Який параметр залишається сталим в процесах в конденсаторі?

8. Яка площа на T,S-діаграмі відповідає роботі адіабатного стиснення холодоагента в компресорі?

9. В якому агрегатному стані знаходиться холодоагент перед дросельним вентилем?

10. Яким чином з використанням T,S-діаграми (рис.3.5) можна розрахувати ступінь сухості холодоагента на виході дросельного вентиля? (тобто відносну масу сухої насиченої пари у 1 кг вологої насиченої пари фреону Ф-12).

11. Яка площа на T,S-діаграмі відповідає теплоті, яка відводиться від охолоджуємих тіл?

12. Що дозволяє регулювати дросельний вентиль?

13. Які параметри стану не змінюються в процесі дроселювання?

14. Яким повинен бути тиск на виході компресора, щоб конденсація фреону Ф-12 відбувалась при охолодженні конденсатора повітрям (t_п=30 ^оС) ?

15. Що таке холодопродуктивність холодильної установки? Одиниці виміру.

Лабораторна робота № 4

РАДІАЦІЙНЕ І РАДІАЦІЙНО-КОНВЕКТИВНЕ СУШІННЯ МАТЕРІАЛІВ ЛЕГКОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ

1. Ціль роботи

1. Поглибити знання за розділом "Тепломасообмінні процеси" на прикладі сушіння матеріалів легкої промисловості.

2. Практично ознайомитися з принципами роботи радіаційно-конвективної сушарки, оцінити її ефективність.

2. Завдання

1. Вивчити теоретичні відомості за темою.

2. Вивчити лабораторну сушарку, дослідити на ній кінетику радіаційного і радіаційно-конвективного сушіння.

3. Для двох режимів сушіння побудувати криві кінетики сушіння і термограми сушіння.

4. Виконати необхідні розрахунки, скласти звіт про виконану роботу.

2. Теоретичні відомості

Сушіння – це видалення рідини із твердих, рідинних або газоподібних тіл. В більшості випадків видаляється вода, тобто здійснюється обезводнення речовини. В техніці, зокрема в процесах легкої промисловості, найбільш поширене сушіння твердих матеріалів. При сушінні видаляється волога, зв'язана з матеріалом фізико-хімічно (адсорбційно і осмотично) і фізико-механічно (волога макро- і мікрокапілярів). Хімічно зв'язана вода (наприклад в кристалогідратах) утримується найбільш міцно, і навіть при нагріванні матеріалу до температур 120-130 °С не видаляється.

Розрізняють природне і штучне сушіння. Природне сушіння здійснюється за рахунок теплоти атмосферного повітря. Його перевагою є виконання основної умови сушіння – збереження фізико-хімічних і споживчих властивостей матеріалів. Основна вада – велика тривалість сушіння. Для прискорення (інтенсифікації) процесу сушіння в легкій промисловості застосовуються різні види сушарок.

За способами підведення тепла розрізняють сушарки:

- контактні (6езпосередній контакт вологого матеріалу з поверхнею нагріву);

- конвективні (матеріал обтікається потоком попередньо нагрітого сушильного агента, яким частіше всього є повітря);

- радіаційні (сушіння під дією інфрачервоного випромінювання);

- високочастотні (видалення вологи під дію електричного поля високої частоти);

- вакуумні (видалення вологи під вакуумом, причому випаровування відбувається за рахунок внутрішньої енергії вологого матеріалу).

Переваги кожного із наведених вище способів можна посилити, а вади послабити. Це досягається шляхом сполучення різних способів підведення тепла і видалення випареної вологи, тобто при комбінованих способах сушіння.

В легкій промисловості використовуються контактно-конвективні, контактно-вакуумні, радіаційно-конвективні і радіаційно-вакуумні сушарки.

До переваг радіаційного сушіння необхідно віднести високий коефіцієнт перетворення енергії джерела випромінювання у підведену до матеріалу теплоту, яка витрачається на випаровування вологи.

Потужність теплового потоку інфрачервоного джерела Q_дж може бути розрахована на основі закону Стефана-Больцмана.

(4.1)

де: Q_дж – потужність потоку випромінювання лампи розжарювання, Вт;

F_дж - поверхня джерела випромінювання, м²;

ε₁ – ступінь чорноти джерела випромінювання;

С_о – коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла, Вт/м²·К⁴;

Т_дж – температура джерела випромінювання, К.

Тільки частина цього потоку попадає на матеріал, який висушується, частина потоку, що попала на матеріал віддзеркалюється, а поглинута частина пропорційна ступеню чорноти матеріалу ε₂.

Крім того необхідно враховувати власне випромінювання матеріалу і навколишніх тіл, в особливості стінок камери для сушіння. Кількісний розрахунок радіаційного теплообміну являє собою складну задачу, оскільки необхідно враховувати взаємні випромінювання, віддзеркалення і поглинання тіл, які присутні в теплообміні.

В першому наближенні потужність власного випромінювання матеріалу Q_м розраховується за рівнянням:

(4.2)

де: Q_м – потужність потоку випромінювання матеріалу, Вт; С_н – наведений коефіцієнт випромінювання, залежний від ступенів чорноти матеріалу ε₂ і стінок ε_с; Т_м – середня температура матеріалу в процесі сушіння, К; Т_с – середня температура стінок камери в процесі сушіння, К; F – поверхня матеріалу, який висушується, м².

Результуючий потік теплового випромінювання, що поглинається матеріалом

(4.3)

де: φ – коефіцієнт опромінення – частина потоку інфрачервоного випромінювання, яка попадає на зразок, залежить від геометричних розмірів випромінювача, матеріалу і їх взаємного розташування; ε₂ – ступінь чорноти матеріалу, який висушується; Q_дж – визначається за формулою (4.1); Q_м – за формулою (4.2).

У рівнянні (4.3) прийнято, що повітря, яке знаходиться в сушарці, не поглинає випромінювану енергію.

В процесі радіаційного сушіння зменшується середній вологовміст матеріалу W_м (відношення маси вологи до маси сухого матеріалу, %) і підвищується його температура.

Кінетикою процесу сушіння є закономірність зміни середнього вологовмісту W_м і середньої температури матеріалу t_м в часі. На рис. 4.1 зображені типова крива сушіння W_м (τ), і типова термограма t_м(τ).

Рис.4.1. Кінетика сушіння: 1 – крива сушіння; 2 – термограма сушіння.

На кривій сушіння можна виділити три ділянки. Першій ділянці відповідає період початкового підігріву матеріалу. Наступний період характеризується приблизно постійною швидкістю сушіння, далі іде період падаючої швидкості сушіння. Швидкістю сушіння називається зміна вологовмісту матеріалу в одиницю часу.

Швидкість сушіння може бути визначена методом графічного диференціювання, як тангенс кута нахилу дотичної до будь-якої точки кривої сушіння.

Прямолінійна ділянка на кривій W_м(τ) відповідає періоду сталої швидкості сушіння. Період сталої швидкості сушіння зв’язують з переважним випаровуванням вологи з поверхні матеріалу, після чого видаляється волога, що знаходиться в об’ємі.

Закінченням сушіння вважається момент досягнення матеріалом рівноважного вологовмісту W_р, тобто стану динамічної рівноваги водяної пари над поверхнею матеріалу з водяною парою в навколишньому вологому повітрі. Матеріал, що досяг рівноважного вологовмісту W_р інколи називають повітряно-сухим.

Якщо матеріал пересихає в сушильній камері, то він після сушіння буде сорбувати вологу із навколишнього повітря. Неповне висушування матеріалу призводить до погіршення його властивостей, деструкції барвників і ін. Експериментально встановлено, що висушувати матеріал (тканину, шкіру) в сушильних установках доцільно до вологовмісту W_р= 8÷12%.

На термограмі сушіння трьом періодам сушіння відповідають ділянки початкового інтенсивного підйому температури, потім температура зростає повільно, а в кінці сушіння йде значне збільшення середньої температури матеріалу.

Експериментально було вивчено розподіл полів вологовмісту і температури при радіаційному сушінні з двохстороннім опроміненням матеріалу. З’ясувалось, що температура в центрі (всередині) матеріалу нижче, ніж на поверхні, а вологовміст, навпаки, вище.

Такий градієнт температур гальмує переміщення вологи до поверхні, оскільки створює рушійну силу термодифузії вологи, яка спрямована від поверхні до середини матеріалу, тобто назустріч основному потоку вологи, що при сушінні рухається до поверхні матеріалу. Наявність нерівномірних полів вологовмісту і температур призводить до виникнення напружень всередині матеріалу, що може призвести до зміни розмірів (усадки) і утворенню тріщин.

Ці недоліки частково усуваються при використанні радіаційно-конвективного сушіння. Обдув матеріалу повітрям дозволяє знизити температуру поверхні матеріалу. Крім того конвективний обдув видаляє водяну пару, що накопичується над поверхнею матеріалу і перешкоджає подальшому випаровуванню вологи. Тим самим інтенсифікується тепломасообмін. Радіаційно-конвективне сушіння особливо ефективне для матеріалів легкої промисловості, що мають малу товщину (тканина, шкіра) і для поверхневих покрить (лаки, барвники, нанесені на поверхню виробів).

Кількість теплоти, відведеної конвекцією від матеріалу (при t_пс< t_мс), оцінюється рівнянням Ньютона-Ріхмана:

(4.4)

де: Q_к – потужність конвективного потоку теплоти, Вт; α - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²К), F – поверхня матеріалу, який висушується, м²; t_пс , t_мс – середні температури повітря і матеріалу в сушарці , °С.

Якщо t_пc>t_мc, тоді теплота буде додатково підводитись до зразка.

При t_пc≈t_мc підведення (відведення) теплоти практично немає, а роль обдування зводиться до руйнування приповерхневого шару насиченої водяної пари, що випаровується.