книги из ГПНТБ / Кавказов Ю.Л. Тепло- и массообмен в технологии кожи и обуви

Так как кинематическая вязкость влажного воздуха v = —=-,

Этот критерий, названный критерием Рихмаиа, введен Е. А. Ер­ маковой [891 для учета гидродинамических условий в глубоком ва­ кууме. Критерий Рихмана является аналогом критерия Рейнольдса.

Рихмана в следующем виде ~м ^"г . Таким образом, для определения

теплообмена, осложненного массообменом с внешней средой, добав­ ляется критерий Ri. Следовательно, Nu = f (Re• Ri). Чтобы при отсутствии испарения критерий Рихмана не превратился бы в нуль, ему придают форму (1 + Ri), тогда

Re'

Многочисленные эксперименты показали, что независимо от спо­ соба сушки, для всех материалов показатель степени при критерии Re оказался равен 0,5, а при сушке древесины критериальная зави­ симость интенсивности внешнего теплообмена, осложненного массо­ обменом, получилась в виде:

Nu = 0,07Re°'s (1 + Ri)0-9-.

В некоторых случаях критериальные зависимости могут быть получены не путем преобразования дифференциальных уравнений, включающих условия однозначности, а непосредственно из физи­ ческой сущности процесса. Эти зависимости могут быть составлены из критериев или параметрических комплексов, что особенно удобно для характеристики комбинированных методов сушки.

Так, для характеристики влияния массообмена на теплообмен при. конвективной сушке Ф. М. Полонской [16] введен критерий Гухмана

—Ц=——. Для характеристики дополнительного влияния при радпа- ционно-конвективной сушке температуры излучателя ею же введен

150

Им предложено универсальное критериальное уравнение для интен­ сивности теплоотдачи влажного тела

турбулизации воздушного потока парами, испаряющимися с поверх­ ности материала.

Параметрический критерий 9, как и в уравнении Ф. М. Полон­ ской, определяет увеличение коэффициента теплоотдачи с повыше­ нием температуры излучателя, что влечет за собой уменьшение тол­

ние средней влажности материала в период падающей скорости сушки к средней критической влажности материала. Этот критерий учиты­ вает уменьшение коэффициента теплоотдачи с уменьшением влаж­ ности материала в период падающей скорости сушки.. Уравнение П. Д. Лебедева охватывает весь период сушки и применимо для лю­ бого ее вида.

Экспериментальная проверка этого уравнения для процесса сушки разных материалов позволила автору [17] определить значе­ ния постоянных уравнений и степеней критериев:

для древесины

для глины

0,9

для песка

для гипса [16]

N u = 113,4ReQ '5 Gu°'3 7 ( Г " З Л 7 Г Г с )°"'7 ;

для торфа [73]

N u = l j 0 4 R e 0 . 5 ( ^ ^ ) ° ' 7 ( 1 ^ ) 0 ' 8 и др.

Уравнение в такой форме пригодно для любого метода сушки, оно охватывает весь процесс сушки и включает в себя все величины, которые обычно являются исходными для его расчета.

Для исследования внутреннего переноса тепла и массы при радиа­ ционной сушке применяются также критериальные зависимости [17].

151

Используя дифференциальные уравнения и граничные условия тепло­ проводности с учетом внутреннего источника тепла (см. с. 133), можно вывести соответствующие критерии и параметры.

т i

Распределение тепла при радиационной сушке В = ——— и яв-

Для определения количества испаряемой влаги в период постоян­ ной скорости сушки критериальное уравнение имеет вид:

а в период падающей скорости сушки:

Решение этих уравнений для периода постоянной скорости радиа­ ционной сушки пластинки толщиной 2R при поверхностном погло­ щении тепла и частичном испарении влаги внутри тела приводит к следующим соотношениям:

152

затраченного на испарение влаги, к удельному теплу, израсходован­ ному на нагревание влажного материала;

критерий Поснова Рп —-щ- характеризует относительную не­ равномерность поля влажности внутри материала, вызванную термовлагопроводностью;

свойства поля влажности в отношении инерционных свойств поля температур;

е' — коэффициент, характеризующий долю влаги, перемещаемой в виде пара (коэффициент внутреннего испарения).

Для определения скорости сушки инфракрасными лучами во вто­

турного изменения тела в процессе сушки (определяется эксперимен­ тально).

Из уравнения (VI-25) получено соотношение:

На основании экспериментальных данных можно определить коэффициент внутреннего испарения е' и установить количество влаги, испаряемой внутри материала в период постоянной скорости сушки.

Наиболее удобной является универсальная зависимость П. Д. Ле­ бедева —• формула (VI-17), учитывающая весь период сушки.

Свойством быстрого прогревания материала инфракрасным излу­ чением часто пользуются для комбинирования этого метода сушки с конвективным. Поверхность высушиваемого материала подвер­ гается прерывистому лучистому нагреванию, усиливаемому сопловым обдуванием горячим воздухом. В период облучения и сильного нагре­ вания тела возникает испарение влаги в поверхностных слоях. При выключении нагревателя и обдувании поверхности материала воз­ духом она охлаждается главным образом за счет продолжающегося испарения, вызываемого аккумулированным теплом. Понижение температуры поверхностного слоя изменяет направление теплового потока, неизотермическое движение влаги совпадает теперь с изотер­ мическим, что значительно повышает интенсивность сушки в первом периоде.

Для увеличения интенсивности испарения влаги после выключе­ ния нагревателя применяется сопловое дутье горячего воздуха. Выходные отверстия сопел имеют форму вытянутых прямоугольни­ ков, из которых воздух выходит с большой скоростью под некоторым углом к поверхности высушиваемого материала.

153

Значение интенсивности теплообмена в первом периоде сушки при сопловом обдувании без радиационногонагревания выражается критерием Нуссельта Nu = 0,0892Pr0 '3 3 -Re°''2 0 §, а при наличии ин­ фракрасного излучения

Nu = 0,043Рго.зз .Re0 -8 0 6 ( - ^ ) 2 , ? 3 ,

где Тп и Тс — соответственно абсолютная температура излучающей поверхности и влажного воздуха.

Сушка токами высокой частоты

Сушка токами высокой частоты (ТВЧ) основана на нагревании диэлектриков и полупроводников в электрическом поле. Источниками возникновения тепла служат диэлектрики. Если молекулы имеют сим­ метричное строение, центры положительных и отрицательных зарядов их совпадают, что делает их нейтральными, неполярными. Под влия­ нием внешнего электрического поля заряды эти смещаются: положи­ тельные по направлению поля, а отрицательные в противоположном направлении, что поляризует молекулы. У молекул несимметричного строения центры зарядов не совпадают, между ними существует мо­ мент, равный величине одного заряда, помноженного на расстояние от него до другого заряда, что делает их диполями, диэлектриками.

При отсутствии внешнего влияния все молекулы находятся в теп­ ловом движении, оси молекул расположены хаотически, поэтому заряды их взаимно компенсируются, и полярные вещества в целом остаются нейтральными.

Под влиянием внешнего постоянного электрического поля диполи ориентируются в определенном направлении. При действии перемен­ ного тока диполи молекул приходят во вращательное движение с ча­ стотой, равной частоте внешнего поля, упругие электронные оболочки молекул вибрируют относительно ядра. Вращательные, колебатель­ ные и пульсирующие движения создают молекулярное трение, преоб­ разующееся в тепло. Возникающая при этом электропроводность вызывает выделение, кроме того, тепла Джоуля.

Отличительной особенностью нагревания токами высокой частоты является быстрое образование мощного источника тепла в местах нахождения в материале влаги. При равномерном распределении влаги, материал нагревается также равномерно, но немедленно начи­ нающееся испарение влаги создает поля температуры и влаги, кото­ рые нарушают эту равномерность.

Полезный эффект нагревания зависит от частоты тока v, диэлектри­ ческой постоянной среды е и напряжения поля Е.

Выделяемая в единице объема диэлектрика мощность, Вт/см3 , может быть определена по полуэмпирической формуле

154

Коэффициент tg р характеризует отношение активной мощности Wr, которая преобразуется в тепло, к реактивной мощности Wt, не дающей тепловой энергии. Вся подведенная к плоскому конденсатору мощность W = Wr - j - Wlt следовательно,

где I r и 11 — сила тока, a U — напряжение поля.

Рис. VI-3. Кривые зависимости между коэффи­ циентом потерь и влагосодержанием пшеницы при различной частоте тока, мГц:

/ — 0,536; 2 — 0,622; 3 — 1,0; 4 — 1,48; 5 — 1,98; б — 3,1; 7 — 4,66; 8 — 6,22; 9 — 9,62

Таким. образом, tg р характеризует потерю энергии, поэтому называется тангенсом угла потерь. Это отношение зависит от темпе­ ратуры, влагосодержання и физико-химических свойств материала. Кроме того, величина использования полной энергии зависит от диэлектрического коэффициента материала е, поэтому вся потеря электрической энергии при нагревании токами высокой частоты

Коэффициент потерь К также зависит от температуры, влагосодер­ жання и свойств материала и, кроме Того, от частоты тока. Таким образом, для расчета удельной полезной мощности нагревания надо знать напряжение и частоту поля и свойства материалов, их диэлек­ трический коэффициент и та'нгенс угла потерь.

Для материалов, имеющих различную форму связи с влагой, влияние частоты тока зависит от вида этой связи. На рис. VI-3 приве­ дена зависимость коэффициента потерь К от влагосодержання пше­ ницы 190]. В области адсорбционной связи влаги коэффициент К не зависит от частоты тока, при переходе же к капиллярно-связанной влаге коэффициент К уменьшается с повышением частоты тока.

155

Для анизотропных материалов коэффициент потерь зависит от структуры вещества, что вызывает неравномерное нагревание их. Для выравнивания в таком материале количества поглощаемой энер­ гии подбирают соответствующую форму пластин конденсатора. В процессе сушки в связи с изменением влагосодержания коэффи­ циент потерь также изменяется, что снижает получаемое от источника мощности количество тепла, а перенос влаги нарушает равномерное распределение его. При высушивании древесины токами высокой частоты потребляемую мощность можно выразить следующим урав­

где а — коэффициент поглощения, зависящий от физических свойств древесины и частоты тока.

Потеря электрической энергии при нагревании древесины зависит от частоты электрического поля и напряжения на электродах: чем напряжение выше, тем больше она нагревается. Скорость нагревания зависит от влажности материала: при изменении влажности древе­ сины от 60 до 5% время нагревания до одинаковой температуры при постоянном напряжении и частоте генератора повышается с 1 услов­ ной единицы до 24. Для бобов, арахиса, миндаля tg р и диэлектриче­ ский коэффициент с ростом частоты до увлажнения меняются мало, но с изменением влажности их от 0,4 до 6,0% tg р увеличивается в 2— 2,5 раза, а диэлектрический коэффициент остается без изменения. Также и с изменением температуры: при повышении ее tg р увеличи­ вается в 2 раза, а е остается без изменения [92].

Исследование И. 3. Эйфера [93] электрофизических свойств гидратцеллюлозного волокна показало, что с ростом частоты от 500 кГц до 25 МГц коэффициент е и tg р уменьшаются, влияние же влажности на степень поляризации зависит от вида связи влаги с гидратцеллю-

жания резко повышает оба фактора, но в отличие от диэлектрического коэффициента увеличение тангенса угла потерь резко замедляется и при влажности 100—110% практически становится постоянным. При увеличении влагосодержания гидратцеллюлозного волокна от 0 до 140% 8 увеличивается в 8—12 раз, a tg р —-в 100 раз.

Сильно влияет на характер поляризации анизотропное строение волокна. Значения е и tg р в осевом направлении во всех случаях

156

всегда больше, чем в радиальном, причем чем выше влагосодержание волокна, тем больше это различие, для сухого волокна оно незначи­ тельно. Когда волокна расположены вдоль поля, интенсивность сушки с повышением частоты увеличивается, при перпендикулярном расположении волокон и влажности их ниже 80% — остается по­ стоянной.

В работе О. А. Кремнева и др. [94] исследовалось влияние влагосодержания на коэффициент потенцпалопроводности в силикагеле при действии полей высокой частоты. Интенсификация влагопереноса наблюдается в области гигроскопической влажности и прилегаю­ щей к ней (U = 0,1—0,8 кг/кг), причем наибольший рост коэффи­ циента потенцпалопроводности наблюдается при повышении напря­ женности электрического поля при влагосодержании материала 0,35—0,55 кг/кг. Отношение коэффициента потенцпалопроводности при действии электрического поля (а'у)э к коэффициенту потенциалопроводности без него может быть выражено эмпирической зависи­ мостью ^ % = 1,05-Ю^Е1 '7 .

(а у)

Увеличение коэффициента потенцпалопроводности, по мнению авторов, обусловлено суммарным воздействием электрического поля высокой частоты на граничную фазу жидкости, на повышенное испа­ рение влаги в материале благодаря возникновению внутреннего ис­ точника тепла и влиянию на свойства жидкости (структуру, смачи­ ваемость, вязкость и др.). Особое значение при этом придается при­ стеночной жидкости, слой которой обладает свойствами, отличными от свойств объемной жидкости: вязкость и удельное электрическое сопротивление граничной фазы значительно больше, чем те же пока­ затели объемной жидкости, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла потерь больше, чем внутри материала, но меньше, чем у свобод­ ной воды. Токи высокой частоты непрерывно переориентируют моле­ кулы пристеночной жидкости, что ослабляет ее связь с поверхностью твердого тела и облегчает переход в паровую фазу. При этом толщина граничного слоя уменьшается, что повышает испарение в материале и увеличивает пропускную способность капилляров.

По данным Г. А. Максимова [95], механизм переноса тепла и влаги при сушке токами высокой частоты зависит от интенсивности нагревания. При малой интенсивности перенос тепла и влаги описы­ вается системой уравнений, как при нагревании горячим газом: пере­ мещение тепла происходит под действием градиента температуры, осложненным дополнительным теплом внутреннего фазового превра­ щения.

При интенсивном нагревании, когда температура капиллярнопористого тела выше 60°С, внутри материала возникает избыточное давление водяного пара, которое увеличивается пропорционально его температуре. Релаксация этого давления зависит от интенсивно­ сти нагревания и пористости материала, соотношение их обусловли­ вает величину градиента избыточного давления пара. Наличие избы­ точного давления пара сохраняется некоторое время и после прекра­ щения нагревания. Испытания показали, что характер изменения

157

давления в пористых телах зависит от размера частиц: чем они меньше, тем при более низкой температуре возникает избыточное давление.

При уменьшении размера частиц кварцевого песка от 2,52 до 0,09 мм возникает избыточное давление при снижении температуры среды от 82 до 20°С. Увеличение давления пара зависит также от температуры и мощности нагревателя: чем она выше, тем-быстрее возникает избыточное давление. Высокая интенсивность сушки то­ ками высокой частоты при большой мощности нагревателя вызы­ вается, по мнению автора, именно избыточным давлением пара, так как перенос массы в этом случае в основном происходит в виде пара, о чем свидетельствуют данные табл. VI-5.

Т а б л и ц а VI-5 Влияние изменения давления пара на количество удаляемой воды

Как видно из данных табл. VI-5, во всех пяти циклах температура нагревателя оставалась практически постоянной, на количество испаряемой влаги влияло только давление пара.

Большим преимуществом сушки токами высокой частоты по сравнению с другими методами является возможность регулирова­ ния температуры материала независимо от температуры окружающей среды. Регулируя действие поля токов высокой частоты, можно изме­ нять распределение влаги в нужном направлении. Начальное рас­ пределение влаги в материале может быть различно: с большим содер­ жанием ее в центре (вогнуто-параболическое), равномерное и с мини­ мальным содержанием в центре (выпукло-параболическое). В резуль­ тате интенсивность испарения.влаги в первый период сушки различна: выше всего она в первом случае и ниже — в третьем. Объясняется это"тем, что при вогнуто-параболическом распределении влаги обра­ зуется наибольший перепад температуры ( ^ — / п ) , а градиент влаж­ ности носит отрицательный характер. При выпукло-параболическом распределении влаги наблюдается обратное. В процессе сушки зна­ чения влажностных коэффициентов меняются, поэтому начальное распределение влаги не может однозначно определять интенсивность сушки. При малых градиентах температуры, когда величина крнте-

158

рия Рп невелика, распределение влагосодержанпя внутри материала аналогично распределению его при конвективной сушке, но при ин­ тенсивном нагревании (при высоких значениях критерия Рп) оно становится иным: внутри материала меньше, чем в поверхностных слоях. Создается градиент влагосодержанпя, препятствующий про­ движению влаги к поверхности материала, что усиливает испарение внутри него. Такое распределение влаги вызывает значительное напря­ жение, что может вызвать нежелательную деформацию материала.

Изменяя градиент температуры путем ускорения внутреннего нагревания и охлаждения поверхностных слоев' можно получить такое значение критерия Рп, при котором распределение влаги станет равномерным.

Влияние толщины материала при сушке токами высокой частоты противоположно влиянию ее при сушке инфракрасными лучами. При действии токов высокой частоты увеличение толщины материала повышает интенсивность сушки, так как наличие источника тепла внутри тела вызывает тепловой поток к поверхности тела с большим градиентом температуры. При сушке инфракрасными лучами увели­ чение толщины материала снижает интенсивность сушки в связи со снижением температурного градиента и повышением сопротивления среды движению влаги.

Кинетика сушки токами высокой частоты не отличается от про­ цесса сушки другими методами. В начале процесса материал быстро прогревается, после чего наступает период постоянной скорости сушки, характеризуемый постоянной температурой и интенсивностью испарения. Важно то, что величина этой температуры может быть установлена в широких пределах в зависимости от свойств материала и параметров электрического поля. В период падающей скорости сушки температура материала повышается, и интенсивность сушки достигает больших значений.

Сушка токами высокой частоты приобретает особый интерес для изделий, состоящих из разных материалов, связь влаги с которыми носит различный характер. Используя избирательный характер влия­ ния на эти материалы параметров электрического поля (частоты тока, коэффициента потерь), можно при одной п той же влажности материа­ лов осуществлять различное нагревание, не создавая опасных напря­

159