Учебное пособие 800321

1.7. Влияние способа подвода теплоты на перемещение влаги внутри материала

Экспериментально установлено, что чем выше влажность, температура или давление внутри материала, тем больше скорость сушки его.

Если температура или влажность в поверхностных слоях материала больше, чем во внутренних, то перемещение влаги к поверхности материала может тормозиться или даже, наоборот, может возникнуть обратное перемещение влаги во внутренние слои материала. В соответствии с этим градиенты влажности, температуры и давления могут иметь как положительный, так и отрицательный знак. Отрицательный знак показывает, что направление вектора потока влаги не совпадает с направлением градиента и соответствует перемещению влаги из внутренних слоев материала к его поверхности.

Растрескивание многих материалов вызывается недопустимой величиной градиента влажности, связанного с напряжениями при усадке материалов в процессе их сушки. Чем меньше градиент влажности (разность влажности в центре и на поверхности) в материале при его сушке, тем выше качество высушиваемого материала. Это необходимо всегда учитывать при разработке режима сушки.

На рис. 4 показаны типичные кривые распределения влажностей и температур в материале в зависимости от времени при различных способах сушки.

При сушке нагретым воздухом (рис. 4.а), как правило, влагосодержание центральных слоев тела выше, чем поверхностных, а температура поверхностных выше, чем центральных. Такое распределение влагосодержания и температуры приводит к тому, что поток влаги под действием градиента концентраций направлен от центра к поверхности, а поток

29

массы под действием градиента температуры направлен от поверхности тела вглубь.

Поскольку суммарный поток направлен к поверхности тела (происходит обезвоживание материала), то поток массы под действием температурного градиента является препятствующим фактором.

При терморадиационной сушке (рис. 4.б) градиент температуры значительно выше, чем при конвективной сушке, что определяет, как видно из рисунка, в первый момент превышение влагосодержания центральных слоев по сравнению с исходным. Градиент влагосодержания в этом случае выше, чем при конвективной сушке, а это может привести в ряде случаев к ухудшению качества материала (например, при сушке материалов, склонных к растрескиванию).

Используя особенности электромагнитной (высокочастотной) сушки (рис. 4,в), когда энергия к высушиваемому материалу, помещенному в поле электрического конденсатора, подводится по всему объему, можно добиться того, что потоки массы за счет влагопроводности и термовлагопроводности будут направлены в одну сторону (от центра к поверхности). Такое наложение потоков обеспечивает наиболее интенсивную сушку.

При контактной сушке (рис. 4,г) влага в виде жидкости движется под действием градиента концентраций к греющей поверхности, испаряется и в виде пара удаляется с внешней поверхности.

Таким образом, знание закономерностей перемещения массы внутри материала, полей влагосодержания и температуры, значений и характера изменения движущих сил позволяет обоснованно выбирать способы и режимы его сушки.

30

Рис. 4 Изменение полей влагосодержания и температуры внутри материала

31

Почти все материалы в процессе сушки изменяют свои размеры, что называется усадкой материала в процессе сушки. Например, глина имеет усадку в период постоянной скорости сушки, дерево и уголь - в период падающей скорости сушки, а торф, кожа и некоторые другие материалы - на всем протяжении процесса сушки.

Некоторые материалы, например древесина, имеют различные усадки в тангенциальном и радиальном направлениях, различающиеся иногда в 1,5-2,5 раза, а также различные поперечную и продольную усадки, что объясняется их физикохимическими свойствами или анатомическим строением (древесина и т. п.). Приближенная формула для определения линейного размера образца после сушки такова:

где l0 - начальный линейный размер образца;

l - длина образца при конечной равновесной влажно-

сти;

- линейный коэффициент усадки;

wнач , wкон - начальная и конечная равновесные влаж-

ности образна, %.

Линейный коэффициент усадки показывает, на какую долю первоначального линейного размера материала сокращается соответствующий размер (длина, ширина или толщина) материала при удалении из него 1 % влаги.

Формула верна только для образцов с равномерным распределением влаги.

32

2. КОНВЕКТИВНЫЕ СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Наибольшее распространение в промышленности и сельском хозяйстве получила конвективная сушка материалов. Теплота в них передается от горячего газообразного сушильного агента к высушиваемому материалу.

2.1 Основные сушильные агенты для конвективных сушилок

Воздух — наиболее дешевый и широко используемый сушильный агент. Его применение особенно эффективно если высушиваемый материал не ухудшает свои свойства в присутствии кислорода и не подвержен разложению при высоких температурах. Экономически оправдано нагревание воздуха до 500 °С в теплообменниках из жаропрочной стали и до 800— 1000 °С в регенеративных теплообменниках.

Топочные (дымовые) газы целесообразно использовать при сушке термостойких материалов, не изменяющих качественные показатели при соприкосновении с продуктами горения топлива. Чем выше температура используемых топочных газов, тем интенсивнее процесс сушки, тем компактнее сушильная установка. Диапазон температур топочных газов 250—1200 °С. Для сушки используют дымовые газы из топок производственных котельных, из котлов ТЭЦ, нагревательных, плавильных и обжиговых печей или сооружают специальные топочные устройства, в которых сжигают топливо и отходы технологического производства.

Азот используют в качестве сушильного агента редко и в тех случаях, когда по тем или иным причинам нежелателен контакт высушиваемого материала или паров удаляемой влаги с кислородом. Поскольку азот получают в специальных воздухоразделительных установках, применяют его в сушилках, работающих по замкнутому циклу. Экономически оправданный

33

уровень начальных температур этого сушильного агента - около 400°С. В аналогичных случаях можно применять в качестве сушильного агента гелий. Коэффициенты теплоотдачи от гелия существенно выше, чем от воздуха или азота, но, с другой стороны, стоимость получения гелия выше, чем азота. Поэтому в таких случаях требуется тщательный техникоэкономический анализ.

Для сушки многих капиллярно-пористых материалов целесообразно и экономически выгодно применять в качестве сушильного агента перегретый водяной пар атмосферного давления из специального источника или перегретый пар удаляемой из материала влаги растворителя. Использование в качестве сушильного агента перегретого водяного пара атмосферного давления имеет ряд термодинамических, технологических и технико-экономических преимуществ по сравнению с воздухом или топочными газами [5, 6, 7]:

-возрастают коэффициенты внутреннего переноса теплоты и массы вследствие более высокой (равной температуре насыщения при данном давлении) температуры материала;

-повышаются движущая сила переноса массы (разность концентраций у поверхности материала и в ядре потока сушильного агента) и коэффициент самодиффузии молекул пара

впар в пограничном слое, что обеспечивает более высокие плотности потока массы при удалении свободной влаги;

-интенсифицируется внешний теплообмен перегретого пара с материалом;

-повышенная температура материала способствует снижению критического влагосодержания, увеличению длительности первого периода сушки;

-появляется возможность применения высокотемпературного сушильного агента вследствие отсутствия в нем свободного кислорода (исключено возгорание, окисление материала);

34

При использовании вместо влажности на общую массу wO влагосодержания wC формула (25) приводится к виду

2.2.1. Расход сушильного агента и тепла на сушильную установку

Расход сухого воздуха L в конвективной сушилке (рис. 5) с однократным использованием сушильного агента можно определить на основании уравнения баланса влаги

где L0 , L2 - расход воздуха на входе в сушилку и на вы-

ходе из нее, кг/с.

Поскольку удаленную влагу можно выразить как разность влаги, поступившей с материалом на сушку, и влагой, оставшейся в материале после сушки

36

Рис. 5. Принципиальная схема сушилки и процесс в теоретической сушилке на H-d диаграмме: 1 – вентилятор, 2 – паровой калорифер, 3 – сушильная камера, 4 – дополнительный калорифер

37

то выражение (27) с учетом отсутствия притоков и потерь воздуха, т.е. L0 L2 , получим

2.3 Теоретическая сушилка

Теоретической СУ называется такая сушилка, в которой отсутствуют потери тепла в окружающую среду, на нагревание транспортирующих устройств и высушиваемого материала и в которой температура материала при входе и выходе из сушильной камеры принимается равной 0 .

Уравнение теплового баланса теоретической сушилки имеет вид:

38