ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Теплотехника

и энергообеспечение предприятий»

Б3.В8. «Тепломассообмен» методические указания

к лабораторной работе по теме:

«Кинетика сушки»

Направление 140100 Теплоэнергетика

Специальность 140106 Энергообеспечение предприятий

Уфа 2012

Методическое указание разработано к.т.н., доцентом Юхиным Д.П.

Методическое указание одобрено и рекомендовано к печати кафедрой «Теплотехника и энергообеспечение предприятий» (протокол №___от __________2012г.) и методической комиссией энергетического факультета (протокол № ___ от ________2012 г.).

Рецензент: доцент кафедры

«Технология металлов и ремонт машин», к.т.н. Фаюршин А.Ф.

Ответственный за выпуск: зав. кафедрой, к.т.н., доцент Инсафуддинов С.З.

1 Цель работы

Изучить особенности протекания массообменных процессов при конвективной сушке различных материалов.

2 Общие сведения

Под высушиванием понимается процесс удаления влаги из твердых и жидких материалов. Конечным продуктом сушки является твердое или сыпучее вещество. Целью сушки, широко применяемой в производствах химического, лесного комплекса, агропроизводстве, пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйства, является улучшение качества веществ и материалов, подготовка их к переработке, использованию, транспортированию и хранению. Данный процесс часто является последней технологической операцией, предшествующей выпуску готового продукта. При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми механическими способами, а окончательно-тепловыми.

Аппарат, в котором происходит процесс сушки, называется сушилкой, а совокупность сушильного аппарата со всеми приданными ему вспомогательными аппаратами - сушильной установкой. В зависимости от агрегатного состояния высушиваемых веществ различают сушильные аппараты для твердых веществ и для жидкостей.

кинетика сушки отражает изменения во времени средних по объему высушиваемого материала его влагосодержания и температуры. Знание кинетики сушки позволяет рассчитать время сушки материала от начального до конечного влагосодержаний.

Формы связи влаги с материалом в значительной степени определяют механизм и скорость сушки: чем эта связь прочнее, тем труднее протекает процесс. При сушке связь влаги с материалом нарушается.

Различают следующие формы связи (в порядке убывания ее энергии):

-химическую;

-физико-химическую;

-механическую.

Химически связанная влага (гидратная, влага комплексных соединений) соединена с материалом наиболее прочно и при сушке обычно удаляется частично или вообще не удаляется.

Физико-химическая связь объединяет адсорбционную и осмотическую влагу (в коллоидных и полимерных материалах). Адсорбционно связанная влага прочно удерживается силами межмолекулярного взаимодействия на поверхности пор материала в виде монослоя или нескольких слоев. Осмотически связанная влага находится внутри и между клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага этих видов связи с трудом удаляется при сушке.

Механическая, или капиллярно связанная влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус более 10^-7 мм) и микрокапилляров (менее 10^-7 мм). Влага макрокапилляров наименее прочно связана с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и механически.

Скорость испарения свободной влаги из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности жидкости. Связанная влага испаряется из материала с меньшей скоростью, чем с поверхности воды. Механизм сушки капилляропористых тел определяется закономерностями массопереноса внутри тел и на границе раздела между твердой и газообразной фазами.

Внутри капилляропористых тел в ходе их сушки могут наблюдаться следующие виды переноса влаги:

1) диффузия жидкости;

2) диффузия пара;

3) молекулярный и конвективный перенос жидкости и пара;

4) проталкивание жидкости благодаря расширению защемленного воздуха при повышении температуры;

5) эффузия (молекулярное течение) пара в микрокапиллярах;

6) тепловое скольжение пара в макрокапиллярах.

Удаление влаги происходит за счет испарения ее с поверхности (внешняя диффузия). Вместо испарившейся влаги под действием капиллярных сил к поверхности устремляется влага из внутренних слоев материала (внутренняя диффузия).

Вначале испаряющаяся с поверхности влага легко восполняется притоком ее изнутри. В этот период высушиваемое вещество покрыто влажной пленкой и процесс поверхностного испарения можно сравнить с испарением без кипения со свободного зеркала жидкости.

По мере уменьшения влаги в материале его поверхность будет постепенно освобождаться от жидкой пленки, обнажаясь при этом. В данный период с (поверхности будет испаряться лишь та влага, которая силами внутренней диффузии доставляется из глубинных слоев по-капиллярам. По мере продолжающегося испарения влага все с большим трудом поступает к поверхности. В это время на скорость диффузии, что равнозначно скорости сушки, начинают оказывать влияние природные свойства материала и его способность задерживать влагу. В дальнейшем начинает прогреваться верхний слой высушиваемого материала. Вследствие этого часть влаги испаряется уже в капиллярах не успев достигнуть поверхности. В этот момент свойство материала задерживать влагу проявляется особенно сильно. Продолжающееся падение скорости сушки продолжается до стадии равновесного содержания влаги в материале.

Под эффузией понимается направленное, а не хаотическое (как при диффузии) движение молекул пара, причем ее особенность - перенос веществ от менее нагретых мест микрокапилляров к более нагретым. Эффузия возникает именно в микрокапиллярах, то есть когда длина свободного пробега молекул пара соизмерима с радиусом капилляров;

Тепловое скольжение пара в макрокапиллярах, возникающее при наличии перепада температуры по длине стенок капилляра и состоящее в том, что у поверхности стенок капилляра влажный воздух движется не против потока тепла, а по оси капилляра - в направлении потока тепла.

Проявление перечисленных видов переноса влаги в процессе сушки зависит от режима процесса и свойств высушиваемого материала.

На границе раздела фаз и вблизи от поверхности твердого тела в мягких условиях сушки (t<100°C) механизм массопереноса остается в основном молекулярным. По мере удаления от поверхности тела возрастает доля конвективного переноса массы, и в центре потока этот механизм становится преобладающим.

Процесс сушки, как и массообменные процессы, выражается уравнением массопередачи, объединяющим молекулярную и конвективную диффузии:

(1)

где W - количество испарившейся влаги, кг;

К - коэффициент массопередачи, кг/с∙м²;

F - поверхность раздела фаз, м;

Р_м - давление паров влаги у поверхности материала, Па;

Р_n- парциальное давление паров в воздухе, Па.

Движущая сила процесса сушки определяется разностью давления паров влаги у поверхности материала Р_м и парциального давления паров в воздухе Р_n. Чем больше эта разница, тем интенсивнее идет процесс испарения влаги. При Р_м-Р_п=0 наступает равновесие в процессе обмена влагой между материалом и средой. Этому состоянию соответствует устойчивая влажность материала, называемая равновесной влажностью, при которой процесс сушки прекращается.

Процесс сушки может быть изображен в виде кривой зависимости относительного влагосодержания материала (отношение массы влаги к массе сухого материала) от продолжительности сушки (рисунок 1). Продолжительность процесса сушки материала от заданной влажности до конечной определяет производительность сушильной установки.

Общее время процесса сушки условно делится на четыре периода:

-период разогрева материала (τ₁);

-период постоянной скорости сушки(τ₂);

-период равномерного спада скорости сушки(τ₃);

-период неравномерного спада скорости сушки(τ₄).

В силу малости периода разогрева материала τ₁ определение времени сушки сводится к нахождению времени постоянной скорости сушки τ₂ и общего периода спада скорости сушки τ₃+τ₄.

Рисунок 1. Зависимость относительного влагосодержания материала от времени сушки

Из диаграммы видно, что кривая сушки имеет несколько отрезков. Отрезок «ОА» соответствует периоду прогрева материала, является кратковременным и характеризуется неустановившимся состоянием процесса. Скорость сушки возрастает и к концу периода прогрева достигает максимальной величины. Отрезок «АВ» представляет собой прямую линию, которая соответствует периоду постоянной скорости сушки (период внешней диффузии). В этот начальный период сушки внутренняя диффузия настолько интенсивна, что обеспечивает поступление к поверхности более чем достаточного количества влаги. Поэтому при неизменном состоянии окружающего воздуха и постоянной температуре сушки количество ларов, удаляемых с постояной поверхности испарения, в этом случае будет одним и тем же. Точка «В» - начальная точка периода падающей скорости сушки, иначе говоря, критическая точка процесса сушки. В этот период скорость сушки полностью зависит от скорости диффузии влаги изнутри. Вначале скорость внутренней диффузии падает более или менее равномерно, поэтому и скорость сушки в данный отрезок времени снижается равномерно (равномерно падающая скорость сушки). Поэтому кривая отрезка «ВD» вначале имеет вид прямой линии(отрезок «ВС») и только потом переходит в кривую (отрезок «СD»), характеризующую неравномерно падающую скорость сушки, которая, как отмечалось, выше, соответствует процессу углубления поверхности испарения, когда влага начинает испаряться уже в капиллярах.

Равновесное влагосодержание (окончание процесса сушки) на рисунке 1 кривой обозначен точкой «D».

В качестве показателя интенсивности процесса сушки принят «скорость сушки С», кг/(м²∙с), который показывает массу удаляемой влаги с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени (рисунок 2). При этом скорость сушки существенно зависит не только от внутренней структуры материала, его теплофизических свойств, размеров, формы и состояния внешней поверхности, но и от параметров сушильного агента(его температуры, относительной влажности, скорости движения относительно материала).

Рисунок 2. Зависимость скорости сушки от продолжительности процесса

Влажность материала w, соответствующая точке перехода от прямой линии АВ к кривой ВD на границе между периодом постоянной скорости и периодов падающей скорости сушки называется критической w_кр. Чаще принимают за «скорость сушки» изменение влажности материала в единицу времени - dw/dτ, кг/с (рисунок 3). Скорость сушки определяется из кривой сушки путем ее графического дифференцирования, для чего к произвольной точке кривой, характеризующей влажности материала в данный момент времени, необходимо провести касательную прямую до пересечения с осью времени τ. Тангенс угла наклона касательной к оси времени определяет скорость сушки в данный момент времени. Исходя из правил тригонометрии и согласно рисунку 3: tgα = H/L.

Рисунок 3. Определение скорости сушки в определенный момент времени

Определяя тангенсы углов наклона касательных к оси времени α для всех точек графика скорости сушки можно построить график скорости сушки (рисунок 4) в координатах «w – dw/dτ» (зависимость скорости убыли влаги из материала в зависимости от его влажности).

Согласно рисункам 3 и 4 линии скорости сушки оканчиваются в точке, соответствующей равновесной влажности материала, для которой dw/dτ=0 (точка D). При этом влажность материала достигает предельного равновесного значения w_р.

Рисунок 4. Определение коэффициента сушки во втором периоде

Используя график скорости сушки в координатах «w – dw/dτ» можно графически определить коэффициент сушки К (зависит от режима сушки и свойств материала), необходимый для определения общей продолжительности третьего и четвертого периодов сушки. Коэффициент К определяется как тангенс угла наклона «упрощенной» линии сушки CD (пунктирная линия) к оси влажности материала (К= tg β).