1. Ціль роботи

Ціль роботи – вивчити методику визначення параметрів вологого повітря за допомогою психрометра та Hd – діаграми; навчитися будувати процеси нагрівання повітря в електрокалорифері і зволоження його в сушильній камері, визначити витрату повітря, кількість вологи, що випаровує і кількість теплоти, витраченої на випаровування в сушильній камері 1 кг вологи.

2. Завдання

Звіт з роботи повинен вміщувати схему лабораторної установки; відповідні таблиці результатів обробки дослідних даних; викопіровку Hd – діаграми вологого повітря з побудованими процесами нагрівання і зволоження повітря в сушильній установці; розрахунки: 1) кількості теплоти, витраченої на нагрівання повітря в електрокалорифері; 2) продуктивності установки з випареної вологи; 3) кількості теплоти, витраченої на випаровування 1 кг вологи; 4) сумарних втрат теплоти.

3. Загальні відомості

Вологе повітря як робоче тіло широко використовують в сушильній техніці, системах кондиціювання, вентиляції і повітряному опаленні.

Атмосферне повітря складається з сухого повітря і водяної пари. В суху частину повітря входить азот, кисень, інертні гази, зокрема, аргон, двоокис вуглецю і невелика кількість інших газів.

Водяна пара (далі пара), що вміщується в вологому повітрі, може бути перегрітою, сухою насиченою і вологою насиченою.

Якщо в повітрі міститься перегріта пара, повітря називається ненасиченим, якщо суха насичена - насиченим, а якщо пара волога насичена, - перенасиченим, або туманом.

З точністю, достатньою для технічних розрахунків, можна вважати, що вологе повітря підлягає усім законам суміші ідеальних газів. Кожний газ, в тому числі водяна пара, що входить в склад суміші, займає той самий об'єм, що і вся суміш. Пара має температуру суміші, знаходиться під своїм парціальним тиском. Тиск вологого повітря Р_вп, задовольняє рівнянню Дальтона:

(2.1)

де Р_сп., Р_п – парціальний тиск відповідно сухого повітря і водяної пари, Па.

Звичайно Р_вп дорівнює атмосферному тиску Р_атм, але в деяких випадках, наприклад, у вакуумній сушарці, Р_вп відрізняється від Р_атм.

Вміст вологи в повітрі характеризується абсолютною і відносною вологістю, а також вологовмістом.

Абсолютною вологістю повітря називається маса пари, що міститься в 1 м³ вологого повітря. Так як об'єм вологого повітря V_вп дорівнює об'єму пари V_п, абсолютну вологість можна визначити як густину пари при її парціальному тиску і температурі повітря, кг/м³:

(2.2)

Відносна вологість повітря дорівнює відношенню густини пари до густини насиченої пари, або відношенню парціального тиску водяної пари до парціального тиску насиченої водяної пари при тій же температурі, %:

2.3)

Вологовміст являє собою відношення маси пари М_п до маси сухої частини вологого повітря М_сп , г/кг сп:

(2.4)

Ентальпію вологого повітря Н_в.п. також відносять до 1 кг його сухої частини. Питома ентальпія вологого повітря дорівнює сумі питомих ентальпій 1 кг сухого повітря і d/1000 кг водяної пари, кДж/кг с.п.:

, (2.5)

де: h_с.п. – питома ентальпія сухого повітря , кДж/кг;

h_п – питома ентальпія пари, кДж/кг;

с_рсп -середня ізобарна теплоємність сухого повітря, кДж/(кг·К);

r_о - питома теплота пароутворення води при 0 ^оС, кДж/кг;

с_рп – середня ізобарна теплоємність пари, кДж/(кг·К), чисельні дані для

с_рсп та с_рп взяті для діапазону температур 0-100^оС.

Стан вологого повітря характеризують також такі поняття, як температура точки роси і температура мокрого термометра.

Температурою точки роси t_тр називається така температура, до якої необхідно охолодити повітря при сталому парціальному тиску, щоб воно стало насиченим. За умов відведення теплоти при цьому починається конденсація і утворюються крапельки роси.

При адіабатному випаровуванні води температура повітря біля поверхні випаровування знижується, так як випаровування відбувається за рахунок теплоти повітря. Температура, яка встановлюється в повітрі при його адіабатному насиченні (Н=соnst), називається температурою мокрого термометра t_м.

На принципі адіабатного випаровування заснований прилад, який назива-ється психрометром і призначений для вимірювання відносної вологості повітря.

Психрометр складається із двох однакових термометрів, один із яких називається сухим (а його показники - температурою повітря за сухим термометром), а другий - "мокрим", тому що його ртутна кулька покрита матерією, змоченою у воді.

Показання психрометра дозволяють визначити відносну вологість за допомогою Нd-діаграми або психрометричної таблиці.

Вологе повітря використовується в якості сушильного агенту в різних сушильних установках. Сушіння є широко поширеним технологічним процесом в легкій промисловості.

Сушінням називається процес видалення вологи із матеріалу шляхом випаровування за рахунок підведеної теплоти.

За способами підведення теплоти розрізняють конвективне, контактне сушіння, а також сушіння в електромагнітному полі. Найбільш поширені в легкій промисловості конвективні сушарки (їх також називають повітряними).

Принципова схема конвективної сушарки показана на рис.2.1.

Рис.2.1. Принципова схема сушарки і діаграми зміни параметрів повітря.

Конвективна сушильна установка з однократним використанням повітря складається із наступних основних елементів: вентилятора 1 для переміщення повітря; калорифера 2 для нагрівання повітря; сушильної камери 3, в якій розміщується матеріал, який треба сушити 4. Повітря із приміщення за допомогою вентилятора подається в калорифер, в якому нагрівається до заданої температури. Із калорифера повітря надходить в сушильну камеру, де віддає теплоту на випаровування вологи із матеріалу. Відпрацьоване, тобто зволожене, повітря видаляється із сушильної камери. Із діаграм, показаних па рис.2.1, видно, як змінюються параметри повітря в сушильній установці, наприклад, температура знижується від t₂ до t₃ внаслідок того, що теплота витрачається на випаровування вологи. В процесі випаровування вологи повітря зволожується, його вологовміст збільшується від d₂ до d₃, а відносна вологість – від φ₂ до φ₃.

Розглянемо тепловий баланс конвективної сушильної установки, яка працює в стаціонарному режимі, коли кількість теплової енергії, що надходить до установки за одиницю часу (далі використовується термін - теплота) дорівнює кількості теплоти, що відводиться.

В сушарку надходить:

1) теплота повітря, що надходить до сушарки, кВт LH₁,

2) теплота, підведена від калорифера до вхідного повітря при Р=const

Q_к = L ( H₂ – H₁), кВт, (2.6)

де H₁(t₁,P), H₂(t₂,P), – ентальпії повітря на вході в установку та на виході з калорифера, кДж /кг сп, L -масові витрати сухого повітря, кг сп /с, .

3. теплота з вологим матеріалом, яку звичайно розділяють на дві частини:

Q_м1 = С_в W t_м1 + С_м М₂ t_м1, кВт, (2.7)

де С_в – теплоємність вологи (води), С_м – теплоємність матеріалу, t_м1 – темпера-тура вологого матеріалу на вході в сушарку, W – кількість вологи (води), яка випаровується в сушарці за одиницю часу, кг/с, М₁,М₂ – маса вологого матеріалу, яка входить до сушарки та виходить з неї за одиницю часу, кг/с. Саме тому, що використано М₂ у Q_м1 враховано, що М₁=М₂+W. Доданок С_в W t_м1 називають кількість теплоти маси вологи, що видаляється в процесі сушіння, кВт. Слід нагадати що під терміном теплота матеріалу (або вологи) фактично вводиться ентальпія, рівнем відліку ентальпії прийнято t₀=0^оС, для ізобарного процесу звичайно обчислюють ентальпію за допомогою ізобарної теплоємності, вираз С_в W t_м1 є скороченою формою традиційної формули С_в W (t_м1 – t₀).

3. теплота з транспортними пристроями (для промислових сушарок)

Q_тр1 = М_трС_трt_тр1 , кВт.

Теплота, що виходить з сушарки:

1) з відпрацьованим повітрям LH₃ ,кВт,

де H₃ (t₃,P) – ентальпія повітря на виході з сушарки,

2) з висушеним матеріалом: Q_м2 = С_м М₂ t_м2 , кВт,

3) з транспортними пристроями: Q_тр2 = М_трС_трt_тр1 , кВт,

4) втрати теплоти в оточуюче середовище Q_вт, кВт.

Рівняння теплового балансу:

LH₁+L(H₂–H₁)+С_вWt_м1+С_мМ₂t_м1+М_трС_трt_тр1=LH₃+С_мМ₂t_м2+С_мМ₂t_м2+Q_вт (2.8)

В промисловості прийнято енергетичні витрати сушарки відносити до 1 кг випареної вологи, тому поділимо обидві частини рівняння на W і після алгебраїчних перетворень отримаємо рівняння:

l (H₃–H₂) = С_вt_м1 – (q_м+q_тр+q_вт), (2.9)

де l=L/W - витрата сухого повітря на 1 кг випареної вологи, кг сп /(кг вип.вол.),

q_м = , кДж /(кг вип.вол.),

• питомі витрати теплоти на нагрівання вологого матеріалу маси М_2п = М₂/W, тобто М_2п - це маса вологого матеріалу на виході сушарки, з якої видалено 1 кг вологи, аналогічно визначаються:

q_{тр ,} кДж /(кг вип.вол.),

q_вт = Q_вт / W, кДж /(кг вип.вол.).

Праву частину рівняння (2.9) позначимо:

. (2.10)

Це рівняння називається внутрішнім тепловим балансом сушарки. В ньому враховані як втрати теплоти, так і (не враховані в q_м) її надходження з 1 кг води при температурі t_м1 (доданок С_вt_м1 ), цей доданок окремо введений у (2.7). На вході в сушарку цей 1 кг вологи був зв’язаний з вологим матеріалом, на виході - перейшов у повітря.

На основі рівнянь (2.9) і (2.10) одержимо:

Звідси одержимо рівняння реального процесу сушіння:

(2.11)

На практиці при відсутності допоміжного калорифера в сушильній камері Δ < 0. В цьому випадку ентальпія сушильного агенту в процесі сушіння зменшується (Н₃<Н₂).

В теорії сушіння для аналізу процесу використовують умовне поняття теоретичної сушарки, якою називається така сушарка, де відсутні втрати теплоти в навколишнє середовище, на нагрівання транспортних пристроїв і матеріалу, що висушується, а температура матеріалу на вході в сушильну камеру і на виході з неї приймається 0 °С. (Тільки при t_м1 = 0 °С реалізується С_вt_м1 = 0, попередні умови означали, що q_м=q_тр=q_вт=0, відповідно з (2.10) отримуємо Δ=0 ).

Відносно вологого матеріалу в сушильній камері теоретичної сушарки проходить процес сушіння, а відносно вологого повітря – процес адіабатного зволоження. Процес зволоження є адіабатним внаслідок відсутності надходження та втрат теплоти. При цьому кількість теплоти, що віддається сушильним агентом на випаровування вологи, повертається до нього .з теплотою випареної вологи. Крім того, відповідно з (2.11) при Δ=0 процес є ізоентальпійним, тобто H₃=H₂.

Таким чином процес зволоження повітря в сушильній камері теоретичної сушарки є одночасно і адіабатним і ізоентальпійним.

Слід відзначити, що при сталості ентальпії вологого повітря, відбувається перерозподіл внесків сухого повітря і водяної пари у загальну суму. На вході в сушильну камеру повітря має температуру більшу, ніж на виході з неї (t₂ > t₃), а вологовміст d₂ < d₃. Згідно з (2.5) сухе повітря втрачає частину своєї енергії (тому і зменшується його температура), Ця енергія витрачається на випаровування вологи і повертається до вологого повітря, яке на виході має більший вологовміст d₃. Тобто в Н₃ відносний внесок пари в ентальпію вологого повітря більший, ніж у Н₂.

В Нd-діаграмі (рис.2.2.) процеси в теоретичній сушарці зображаються процесами підігрівання повітря 1-2 в калорифері (d=соnst) і його зволоження при сушінні (Н=соnst). На практиці внаслідок втрат ентальпія сушильного агента в процесі сушіння зменшується (Н₃<Н₂), процес реального сушіння протікає від т.2 до т. 3

Рис.2.2. Зображення процесів нагрівання вологого повітря 12 та

зволоження повітря 23 у Нd-діаграмі.