6.1.2. Свойства влажного воздуха

Воздух как сушильный агент характеризуется тем­пературой, влажностью (абсолютной и относительной) влаго- и теплосодержанием.

Температура воздуха. Влажный материал можно сушить холодным воздухом, однако горячий воздух создает высокий температурный напор (At = &,озд — — L) и способствует более быстрому прогреву мате­риала и легкому испарению влаги.

Влажность воздуха. Количество водяных паров, со­держащихся в 1 м³ влажного воздуха, называется абсолютной влажностью. При понижении температуры или увлажнении воздуха, находящийся в нем пар ста­новится насыщенным. Отношение абсолютной влаж­ности к максимально возможному количеству пара в 1 м³ воздуха, при той же температуре и данном баро­метрическом давлении, называется относительной влажностью (ф). Она характеризует степень насыще­ния воздуха влагой. Относительную влажность воз­духа можно выразить отношением плотностей пара р_п к р_н или отношением давлений:

Рп Р„

где Р„ — парциальное давление пара, соответствую­щее его плотности р_п, Н/м²; Р_н — давление насыщен­ного пара при той же температуре, Н/м².

При повышении температуры ф уменьшается, при понижении — увеличивается. Доводить значение ср до единицы (100%) не следует во избежание выделения капельножидкой фазы (точка росы). Влагосодержани­ем воздуха (х) называется количество водяного пара в 1 кг, приходящееся на 1 кг абсолютно сухого возду­ха. Величина характеризует относительный состав по массе влажного воздуха.

Если обозначить G, — массу водяного пара во влажном воздухе, G_CB — массу сухого воздуха в том же объеме, то влагосодержание при общем давле­нии Р составит:

О„

Р„

М„

Р-Р_п

Из формулы относительной влажности Р_п = ф.р„, величины молекулярных масс водяного пара и сухо­го воздуха М„ и Мс.в., получаем следующую зависи­мость от его относительной влажности:

18 фЯ„

"29"

При ф= 1 уравнение принимает вид:

тальпия перегретого пара, кДж/кг; Н — энтальпия влажного воздуха, кДж/кг.

Если за единицу количества тепла принята ккал, а удельная теплоемкость сухого воздуха и теплоем­кость пара (в ккал/кг-°С) равны соответственно 0,24 и 0,47, а постоянный коэффициент примерно равен энтальпии пара при 0 °С и составляет 595, то формула принимает вид:

Я = 0,24 • < +(595+ 0,47.- t) х.

Без учета тепловых потерь теплосодержание воз­духа в процессе сушки остается постоянным. Воздух отдает тепло материалу на испарение влаги. Пар переходит в воздух (увеличивается его влагосодер­жание) и приносит то же количество тепла, которое затрачено на его испарение.

6.1.3. Кинетика

Под кинетикой процесса сушки обычно понимают изменение влагосодержания и температуры воздуха с течением времени. Закономерности кинетики позво­ляют определить количество влаги W, испаряемой с единицы поверхности F высушиваемого материала за единицу времени т и продолжительность периодиче­ского процесса сушки. Таким образом, скорость сушки представляет собой отношение:

х = 0,622 •

и =

w 77'

Величина х не зависит от температуры и характе­ризует процесс массообмена. Между влажностью и влагосодержанием существует прямая зависимость, в процессе сушки она возрастает. Контроль тепловой сушки ведут по барометрическому давлению Р, дав­ление насыщенного пара при данной температуре Р_н и относительной влажности.

Теплосодержание. Влажный воздух как теплоноси­тель характеризует энтальпией (теплосодержанием), равной сумме энтальпии сухого воздуха и водяного пара:

Я =

+ Xl_m

где Сев. — средняя теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг-°С); t — температура воздуха, °С; L — эн-

78

где U — скорость сушки, кг/м²-с.

Скорость массообменного процесса высыхания ма­териала можно представить уравнением массопере-дачи

где k — коэффициент массопередачи; Р„ — Р_а — раз­ность давления паров влаги у поверхности материала Р_м и парциального давления паров в воздухе Р„, дви­жущая сила процесса сушки, Н/м².

В большинстве случаев скорость высыхания су­щественно изменяется в зависимости от влажности материала. В начале процесса влага из толщи мате­риала перемещается к поверхности раздела фаз за

79

Абсолютная влажность, —г-Рис. 6.2. Диаграмма процесса сушки. Объяснение в тексте.

счет массопроводности, а затем передается в газовый поток за счет конвективной диффузии. При этом суш­ка протекает с постоянной и падающей скоростью.

На рис. 6.2 представлена диаграмма процесса суш­ки. Отрезок АВ — прогрев влажного материала, тем­пература материала повышается до постоянной, влаж­ность снижается незначительно W_a. Отрезок BKi — период постоянной наибольшей скорости процесса, когда удаляется свободная влага. Скорость сушки постоянна и определяется скоростью внешней диффу­зии. Влага испаряется со всей поверхности материала так же, как с зеркальной поверхности открытого во­доема. Температура материала постоянна. Точка Ki называется первой критической точкой, а влажность материала в этой точке — первой критической влаж­ностью U^k'p, при которой на поверхности материала появляются высушенные участки.

Во второй период скорость удаления влаги опре­деляется внутренним передвижением паров воды — перемещением их изнутри материала к поверхности. С начала второго периода поверхность высушиваемого материала покрывается коркой, поверхность испарения

80

влаги уменьшается, что приводит к уменьшению ско­рости сушки. В зависимости от структуры высушивае­мого материала и толщины его слоя испарения влаги с поверхности в конце второго периода может проис­ходить в глубине материала или прекращаться. По­этому второй период часто складывается из стадий равномерно и неравномерно падающих скоростей (от­резки К1К2, КгС). Точка Кг называется второй кри­тической точкой, а соответствующая ей влажность материала — второй критической влажностью №"_Р. К концу второго периода температура материала по­вышается и достигает температуры окружающей сре­ды, влажность снижается до равновесной №_р, скорость сушки становится равной нулю.

Процесс сушки влажного материала не всегда складывается из двух периодов. В отдельных случаях он укладывается в интервале влажности W_Han — Wk_P, что соответствует только первому периоду, а иногда в интервале W*_P. — W"_f., т. е. заканчивается этапом равномерно падающей скорости.

6.2. СУШИЛКИ