книги из ГПНТБ / Морозов, С. В. Сушка лубоволокнистых материалов учебник

4.Какие понятия применяются при определении влажности воздуха и в чем различие между ними?

5.Какие параметры влажного воздуха содержатся в таблицах влажного воздуха?

6.Что такое температура росы и как ее определить по / — d- диаграмме?

7.Дайте характеристику / — d-диаграммы.

8.Назовите основные параметры влажного воздуха и дайте их определения.

9.Как определить параметры смеси, если точка смеси двух состояний лежит ниже линии ф= 100%?

10.Определить параметры воздуха по / — d-диаграмме, если известно, что ^ = 40° С, <pt= 50%.

11.При какой влажности воздуха <р температура мокрого тер­ мометра равна температуре сухого термометра?

Гл а в а III

ВЛАЖНЫЙ МАТЕРИАЛ И ЕГО СУШКА

1.ВИДЫ ВЛАЖНОСТИ МАТЕРИАЛА

t

Влажный материал можно представить состоящим из абсо­ лютно сухой массы и некоторого количества влаги:

В сушильной технике используется два понятия влажности ма­ териала: относительная влажность и абсолютная влажность.

Относительная влажность (%) материала показывает отноше­ ние массы (веса) влаги к массе (весу) влажного материала:

W0 — • ЮО.

G

Абсолютная влажность (нередко называемая просто влажно­ стью материала или его влагосодержанием) показывает отноше­ ние массы (веса) влаги к абсолютно сухой массе материала и вы­ ражается в % или кг влаги/кг сухого материала (в дальнейшем в книге обозначенное как кг/кг). Абсолютную влажность (%) бу­ дем называть влажностью материала:

Gс

а абсолютную влажность (кг/кг) будем называть влагосодер­ жанием материала:

Gx W

U ~ Gc ~ 100 ‘

21

Абсолютная и относительная влажность материала связаны между собой следующими отношениями:

100— Wg '

На заводах первичной обработки обычно используют понятие абсолютной влажности.

2.СВЯЗЬ МЕЖДУ МАССОЙ МАТЕРИАЛА, ЕГО ВЛАГОЙ И ВЛАЖНОСТЬЮ

Масса влаги, испаренной из материала, масса сухого и влаж­ ного материала, его относительная и абсолютная влажность свя­ заны между собой уравнениями материального баланса.

Используя, формулы (15) и (16), можем написать уравнение материального баланса продукта до сушки

Gi: 100GC

100 — Г 1 - 0

и после нее

Количество влаги, испарившейся в сушильной машине, опреде­ ляют по формуле

3. ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ТЕПЛОСОДЕРЖАНИЕ МАТЕРИАЛА

Теплоемкость материала можно определить, используя относи­ тельную и абсолютную влажность материала. При определении теплоемкости рассматриваем влажный материал как смесь сухого материала и влаги по уравнению (14).

Обозначая теплоемкость влажного материала через с, а су­ хого— через сс, имеем:

22

При использовании абсолютной влажности материала теплоемкость^будет равна:

= 0,32 ккал/кг-град = 1,34 кДж/кг-град.

Теплосодержание (кДж/кг) влажного материала определяется по формуле

4. ВИДЫ СВЯЗИ ВЛАГИ С МАТЕРИАЛОМ

Волокнистый материал может впитывать влагу из окружающей среды (процесс сорбции или увлажнения) или отдавать ей влагу (процесс десорбции или сушки). Ход процесса зависит от количе­ ства влаги в материале и окружающей среде, характера связи влаги с материалом.

С изменением влажности материала меняются его физико-ме­ ханические свойства: теплоемкость, теплопроводность, угол из­ лома, прочность волокна, его хрупкость, эластичность, блеск и т. д., т. е. меняются те свойства, от которых непосредственно зависит технологический процесс обработки материала и свойства полу­ чаемой продукции.

Механизм сушки влажного материала определяется в основном формой связи влаги с материалом и режимом сушки. Классифика: ция формы связи влаги с материалом принята по схеме, предло­ женной П. А. Ребиндером. Согласно этой классификации разли­ чают: химическую связь, выраженную в строго определенных количественных соотношениях; физико-химическую связь, выра­ жаемую в различных не строго определенных соотношениях; фи­ зико-механическую связь, характеризующуюся удерживанием влаги в неопределенных соотношениях.

Удаление химически связанной влаги, происходящее одновре­ менно с разрушением кристаллов материала, не считается сушкой и в дальнейшем не рассматривается.

При сушке удаляется влага, связанная с материалом физикохимически и механически. К физико-химически связанной влаге относятся адсорбционная, осмотическая и структурная.

Физико-механически связанная влага делится на капиллярную (микрокапиллярную и макрокапиллярную), крупных пор и пустот, а также смачивания.

Прочность связи отдельных видов влаги с материалом раз­ лична. Адсорбционная влага наиболее прочно связана с материа­ лом. При поглощении ее материалом выделяется тепло, называе­ мое т е п л о т о й а д с о р б ц и и и л и н а б у х а н и я и равное около 251 кДж/кг, одновременно происходит сжатие системы. Ад­ сорбционная влага может поглощаться материалом из паровоз­

23

душной смеси или при непосредственном соприкосновении мате­ риала с водой.

О с м о т и ч е с к а я влага относится к влаге набухания и при­ соединяется к материалу без выделения тепла. Энергия связи этой влаги с материалом незначительна, а поглощение ее не изменяет основных свойств материала и воды. Осмотическая влага присо­ единяется в основном при соприкосновении материала с жидкостью.

С т р у к т у р н а я влага является также влагой набухания. Эту влагу можно удалять из материала, нарушив его структуру, отжатием или испарением. Осмотической и структурной влаги в лубоволокнистых материалах содержится значительно больше, чем ад­ сорбционной.

К а п и л л я р н а я влага находится в узких порах-капиллярах радиусом меньше 1 мм. Капилляры радиусом меньше 10-5 см на­

слабо связана с материалом, легко удаляется из него и хорошо передвигается под действием сил тяжести. Поры и пустоты запол­ няются влагой только при непосредственном контакте материала с водой.

Влага смачивания наиболее слабо связана со смачиваемой по­ верхностью материала. Влагу смачивания, как и влагу крупных пор и пустот, удаляют из материала механическим путем или ис­ парением.

Процесс поглощения (сорбции) влаги лубоволокнистыми ма­ териалами можно разделить на три стадии. Первая стадия харак­ теризуется поглощением адсорбционной влаги. При этом сокра­ щается объем волокон и выделяется некоторое количество тепла. Поэтому для испарения адсорбционной влаги требуются дополни­ тельные затраты тепла. Увеличение влажности материала до 13— 14% сопровождается наибольшим повышением прочности волокон. Этим объясняется, что на практике принята технологическая влажность стеблей в 12—14%. Вторая стадия поглощения паров из влажного воздуха — стадия микрокапиллярной конденсации во­

при его непосредственном контакте с водой. Количество влаги, воспринимаемое материалом в третьей стадии, во много раз боль­ ше массы влаги первых двух стадий.

Классификация влаги в материале при его сушке

По состоянию в материале различается свободная и гигро­ скопическая (связанная) влага. В общем виде: AU?=U7CB+ H7rra,p.

К свободной влаге относят основное количество осмотической, макрокапиллярную, влагу крупных пор и пустот и влагу смачи­ вания. Свободная влага очень слабо связана с материалом и ис­

24

паряется так же свободно, как с открытой поверхности воды. Пар­ циальное давление водяного пара у поверхности материала, содержащего свободную влагу рм, равно соответствующему давле­ нию у поверхности чистой воды рн, т. е. рм = рн■Температура по­ верхности материала при этом равна температуре мокрого термо­ метра. Материал, содержащий свободную влагу, считается влаж­ ным (мокрым). Свободная влага удаляется из материала при его сушке.

К гигроскопической (связанной) влаге относятся адсорбцион­ ная, микрокапиллярная и часть осмотической. Этот вид влаги прочнее связан с материалом. Состояние материала, когда он со­ держит максимальное количество гигроскопической влаги и не со­

При сушке влажный материал вначале отдает свободную влагу, затем ту часть гигроскопической, которая может быть удалена из материала при данной температуре и влажности воздуха. Повы­ шая температуру воздуха и снижая его влажность, можно удалить из материала еще некоторое количество гигроскопической влаги.

По условиям удаления из материала при сушке влагу подраз­ деляют на избыточную и равновесную. В общем виде: AW =

=№„зб+ №р.

Кизбыточной влаге относят свободную влагу и ту часть гигро­ скопической, которую можно удалить при данных условиях сушки, т. е. при данной температуре и влажности сушильного агента.

К равновесной влаге относят ту ее часть, которая остается в материале при данных условиях сушки. В равновесную влагу обычно входит большая часть гигроскопической влаги.

Удаление свободной и части гигроскопической влаги из мате­ риала называется с ушкой . Обратный процесс — поглощение влаги материалом из воздуха — называется с о р б ц и е й . Она про­ исходит только по достижении материалом гигроскопического влагосодержания при ф=100%. В дальнейшем материал может увлажняться только при непосредственном контакте с водой. Мак­ симальное количество влаги, которое материал может при этом поглотить, называется его в л а г о е м к о с т ь ю и составляет при­ мерно для стеблей лубяных культур 2—4 кг влаги на 1 кг сухого материала.

Равновесная влажность материала

Влагообмен между материалом и воздухом прекращается, если Рм= Рп- Этот момент наступает в том случае, когда материал на­ ходится в воздухе с постоянными параметрами в течение времени,

25

влажность его стремится к пределу, по достижении которого ос­ тается постоянной. Эту устойчивую влажность материала назы­ вают р а в н о в е с н о й W v . Для данного материала величина равновесной влажности зависит от влажности и температуры окру­ жающей среды. Равновесная влажность с увеличением темпера­ туры воздуха при неизменной его влажности уменьшается. С уве­ личением влажности воздуха и при неизменной температуре зна­

ной тресты при тех же параметрах воздуха — от 0,036 до 0,16 кг/кг. Значения равновесной влажности при одних и тех же парамет­ рах воздуха зависят от того, каким путем она получена: сушкой достаточно влажного материала или сорбцией влаги из воздуха достаточно сухим материалом. Кривые зависимости равновесной влажности материала от влажности воздуха при постоянной тем­ пературе называют изотермами сорбции или десорбции, которые

определяют обычно в лабораторных условиях.

Как видно из рис. 3, одинаковые величины равновесной влаж­ ности возможны при различных значениях относительной влажно­ сти воздуха ср в зависимости от процесса десорбции или сорбции. Значение равновесной влажности при одном значении ф в процессе

пористых коллоидных материалов (лубоволокнистое сырье) объяс­ няется присутствием воздуха на стенках капилляров, которые из-за этого не полностью смачиваются водой.

Равновесная влажность, соответствующая ф—100%, называется г и г р о с к о п и ч е с к о й (гигроскопической точкой). Она является

26

границей между гигроскопической (связанной) влагой и свобод­ ной. При влажности материала большей, чем гигроскопическая, давление водяного пара над поверхностью материала равно дав­ лению водяного пара у открытой поверхности чистой воды и не зависит от влажности воздуха и свойств материала. При влажно­ сти материала больше влажности его в гигроскопической точке материал находится в об­

было больше удалено влаги — в процессе отжима или сушки.

Ре ш е н и е . Влажность материала выразим через абсолютную влажность

(%)по формуле (34):

27

Пример 2. В сушильную машину загружена льняная треста в количестве

100 + 21

Пример 3. Завод в течение года отгрузил 400 т длинного волокна при сред­ ней абсолютной влажности И+р. д = 12% и 430 т короткого волокна при Wcp. к =

Во п р о с ы д л я п о в т о р е н и я

1.Чем отличается процесс испарения влаги из материала от процесса ее выпаривания?

2.В чем отличие относительной влажности материала от абсо­ лютной?

3. Как изменяется теплоемкость лубоволокнистых материалов

сувеличением их влажности?

4.От чего зависит теплосодержание материала?

5.Дайте характеристику механической связи влаги с ма­ териалом.

6.Какие виды влаги воспринимаются материалом из окружаю­ щего влажного воздуха?

7.Какие виды влаги воспринимаются материалом при непо­ средственном его контакте с водой?

8.Как изменяется прочность конопли, кенафа, льна с измене­ нием влажности?

9.Дайте краткую характеристику процесса поглощения влаг лубоволокнистым материалом.

10.Что такое гигроскопическая влажность и какое она имеет практическое значение?

11.Что такое равновесная влажность и как она изменяется в за­ висимости от температуры и относительной влажности сушильного агента?

12.Объясните, почему для лубоволокнистых материалов принята технологическая влажность стеблей в 12—14% ■

13.Чем объясняется гистерезис сорбции?

14.Дайте характеристику влаги с точки зрения процесса сушки.

28

Гла ва IV

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ СУШКИ

ИУВЛАЖНЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА СУШКИ И УВЛАЖНЕНИЯ

Сушка и увлажнение лубоволокиистых материалов представ­ ляют собой сложный теплофизический процесс, проходящий в ма­ териале и окружающей среде.

Для раскрытия механизма сушки или увлажнения материала изучают состояние равновесия между материалом и окружающей средой (статика процесса); скорость сушки в зависимости от раз­ личных факторов материала и окружающей среды (кинетика про­ цесса); энергию связи влаги с материалом и законы перемещения в нем влаги (динамику процесса), а также влияние параметров сушки на качество и технологические свойства материала (техноло­ гию процесса).

Следует различать две стадии процесса сушки:

тепло- и влагообмен между материалом и окружающей средой (внешний влагообмен);

перемещение влаги из внутренних слоев материала к его поверх­ ности (внутренний влагообмен).

Процессы тепло- и влагообмена между материалом и окружаю­ щей средой неотделимы друг от друга, зависят от формы, качества поверхности и вида материала, скорости, характера движения, тем­ пературы и влажности сушильного агента. Чтобы проходил процесс теплообмена, необходима разность температур материала и окру­ жающей среды, т. е. Д*= /С—0М.

При ^с = 0м процесс теплообмена и сушки прекращается. При низкотемпературной сушке лубоволокиистых материалов темпера­ турный градиент существенно не влияет на скорость сушки. Про­ цесс сушки лубоволокиистых материалов определяется главным об­ разом условиями влагообмена. Для влагообмена необходимо, чтобы парциальное давление водяного пара у поверхности материала рм превышало парциальное давление водяного пара окружающей среды Рв, т. е. Ар = рм—ра или Ad = dM—dH. При условии рм<Рн(^м<й?н) процесс влагообмена будет проходить от окружающей среды к ма­ териалу (материал будет увлажняться).

Процесс перемещения влаги из внутренних слоев материала к его периферии зависит от физико-хймических свойств матери­ ала, его структуры, вида и характера связи влаги с материалом.

При конвективной сушке первоначально теряют влагу наружные слои ткани, затем прилегающие к ним внутренние. При удалении влаги лубоволокнистые материалы сохраняют эластичность, но об­ щий их объем и площадь поверхности уменьшаются. Капилляры и поры сужаются и приобретают коническую форму. Это способствует усилению перемещения влаги из внутренних слоев к поверхности

29

и положительно влияет на внешний влагообмен. Внутри материала влага может перемещаться в виде водяного пара и воды. До сушки влага в материале находится в состоянии термодинамического рав­ новесия. При этом отсутствует перенос влаги в материале.

2.РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ И ПЛОТНОСТИ- В СТЕБЛЯХ

Начальное влагосодержание внутрен­ них слоев может быть в два раза больше, чем внешних. Локальное влагосодержание отдельных слоев опре­

делить трудно, поэтому обычно пользуются понятиями среднего влагосодержания по объему материала мСр. о или по его массе

wcp. м-

Влажность материала неравномерна и по высоте слоя при сушке, что зависит от его толщины, объемной загрузки, скорости воздуха, диаметра стеблей, потенциала сушки при входе в слой и относитель­ ной скорости сушки. После сушки и увлажнения влагосодержание материала по массе значительно выравнивается.

Общая схема удаления влаги из стеблей лубоволокнистых мате­ риалов выглядит следующим образом. При высокой влажности материала (от 4—5 до 1 кг/кг) в начале сушки удаляется влага пор, пустот и крупных капилляров, связанная с материалом осмо­ тически. Далее удаляется капиллярная влага, связанная с материа­ лом капиллярными силами. Затем вместе с влагой микрокапилляров

30