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

Кривые давления пара определяются из уравнения

- ~ коэффициент потенцпалопроводностн переноса пара но­ вым механизмом;

Кр — молярный перенос пара; Ьт—объемная пароемкость материала.

Из уравнения (VI-30) получаются новые значения критериев:

¥ож = ^ = (1 - е) Fo'; Fon = °"Т Крх

Кс характеризует аккумулирующую способность пористого тела 1и = ^ L u = ^ . ; Кс Ы П Р °

пара в процессе сушкиж . Из уравненияn теплопроводности (VI-29) полу­ чаются следующие критерии:

Первый критерий представляет собой электрофизическую харак­ теристику материала, второй — характеризует мощность источника тепла по параметрам электрического поля /, е в связи с проводи­ мостью тепла в нагреваемом объекте. Величина источника тепла

А-~— fE2 является функцией времени и координат тела, она изме- <-Л'о

няется по мере удаления влаги. Коэффициент потерь К увеличивается с повышением влажности материала так же, как и теплоемкость тела С. Интенсивность сушки токами высокой частоты может быть определена из универсального критериального уравнения П. Д. Лебедева.

С у ш к а а к у с т и ч е с к и м и волнами

Основными факторами вибрации, влияющими на процессы пере­ носа тепла и массы, являются амплитуда смещения и частота колеба­ ний звуковой волны *. Эффект вибрации зависит от сочетаний пара-

* Периодом колебания Т называется наименьший промежуток времени, по исте­ чении которого повторяются значения всех физических величин, характеризующих

2л:

колебательное движение. Т=-—-, где№—циклическая или круговая частота; W=2nV\ -

160

геля. В первый период сушки температура материалов растет мед­ ленно, во всех слоях войлока она начинает резко увеличиваться после первой критической точки, у силикагеля — после второй кри­ тической точки. Рост температуры продолжается до наступления рав­ новесия между количеством поглощенной акустической энергии и количеством тепла, расходуемого на испарение влаги. Для силикагеля это имело место яри / = 33°С, а для войлока при t — 76°С. Как в первом, так и во втором периодах сушки в материале возникает градиент температуры, который растет с уменьшением влагосодер­ жання, достигая максимума к концу сушки. Механизм интенсифици­ рующего действия звука во втором периоде сушки, по мнению авто­ ров, резко отличается от действия его в первом периоде,'в котором главную роль играют колебательные и циркуляционные движения озвученной среды вдоль доступных звуку, поверхностей материала.

На интенсификацию сушки во втором периоде влияет нагревание влажного воздуха в порах и капиллярах материала в результате по­ глощения в них звука, что увеличивает интенсивность диффузии и термовлагопроводность. Полезной частью звуковой энергии будет только та ее часть, которая проникает в капилляры высушиваемого материала и поглощается в них вследствие трения о стенки, превра­ щаясь в тепло. В связи с этим звуковая' энергия используется полнее в более пористых материалах и при меньшем содержании в них влаги. Согласно формуле Кирхгофа коэффициент поглощения звука в круг­ лых трубах зависит от радиуса: в мпкрокапиллярах звук поглощается сильнее, чем в макрокаппллярах, поэтому температура в них выше и градиент температуры направлен из макро- в мпкрокапнлляры. Так, при озвучивании клубка металлических проволочек с уменьше­ нием диаметра их от 1,0 до 0,1 мм температура в капиллярах между ними возрастала на 150°С. Сильное нагревание жидкости снижает поверхностное натяжение, что ослабляет связь ее со стенками капил­ ляров и увеличивает коэффициенты диффузии и термовлагопроводностп, а также повышает давление защемленного в порах воздуха. Все это интенсифицирует процесс сушкн во втором периоде.

В результате авторы приходят к следующим выводам:

при акустической сушке термонеустойчивых продуктов должна быть определена дозировка акустической энергии во избежание их деструкции;

при озвучивании толстых слоев материала более рационально применять звуки низких частот, потому что глубина проникания Я акустической энергии при падении интенсивности наполовину об­ ратно пропорциональна коэффициенту а поглощения звука Н —-

=2 а , а коэффициент поглощения а при конечных амплитудах коле­

бания пропорционален частоте звука. В связи с тем, что большинство пористых материалов имеет ярко выраженный резонансный характер для равномерной сушки размер слоя должен быть согласован с часто­

той звука; акустическую энергию целесообразно использовать только для

досушивания трудновысушиваемых материалов во второй стадии

162

процесса, когда количество поглощенной энергии велико и коэффи­

физический фактор не влияет на процесс сушки, ускоряющее дей­ ствие звука сильно зависит от состояния среды, причем не последнюю роль играет и соотношение между размером тела L, длиной волны X и амплитудой смещения А. В своих исследованиях авторы рассматри­ вали случай, когда L <СХ и А < L . Высушиванию звуком частотой 6,2 кГц и давлением 148 дб подвергались пластины из глинисто-ша­ мотной керамики, пропитанные разными жидкостями. Данные иссле­ дований показывают, что температура поверхности образцов при озвучивании всего на 1—2°С выше, чем при конвективной сушке, максимальное изменение упругости пара достигало лишь 10%, в то время как интенсивность сушки возрастала с 40 до 150% . Поскольку все остальные факторы не изменились, авторы считают, что ускорение массопереиоса, вызванное звуком (табл. VI-6), может быть связано только с изменением гидродинамических условий на поверхности испарения, а именно с возникновением акустических потоков, ско­ рость которых зависит от интенсивности звука и может достигать нескольких метров в секунду. Исходя из этого, они считают, что меха­

критерий Рейнольдса определяется по скорости звуковых потоков, поэтому зависит от частоты и интенсивности звука, а также от соот­ ношения размеров тела и длины волны.

Относительное изменение коэффициента массообмена, вызванное действием звука (см. табл. VI-6), может быть выражено для естествен­ ной конвекции следующим выражением:

Применение звука наиболее эффективно для жидкостей, плохо испаряющихся при обычных условиях (г|) >> 20):

Вопреки мнению многих авторов, утверждающих, что акустиче­ ский метод сушки позволяет интенсифицировать второй период при низкой температуре и малом влагосодержании, Ю. Я- Борисов и Н. М. Гынкииа считают, что это наблюдается лишь при малых уров­ нях звукового давления, но при значительном влагосодержании. При высокой же интенсивности звука (свыше 163 дб) и малом влаго­ содержании температура материала во втором периоде сушки резко

возрастает, достигая 60—100°С (рис. VI-4). Эти авторы приходят к выводу, что в первый период интенсификация акустической сушки тел, размеры которых существенно превышают амплитуду колебаний звуковой волны, зависит от появления у поверхности их акустиче­ ских потоков. Ускоряющее действие звука зависит от интенсивности звукового поля, соотношения между размерами тела и длиной волны и физической природы испаряющейся жидкости, причем тем более значительно, чем ниже упругость пара этой жидкости.

Во втором периоде сушки при том же соотношении между раз­ мерами тела и амплитудой колебания акустическое поле не оказывает специфического воздействия на внутренний перенос массы, коэф­ фициенты диффузии, м2 /ч, при аку­ стической и конвективной сушке почти одинаковы: аПа = 1,55-10~° и а,„0 = 1,4510"е. Ускорение про­ цесса сушки в этот период все­ цело обусловливается повышением температуры материала из-за по­ глощения акустической энергии.

165

особенно для частиц среднего размера. Для определения влияния звука на внутренний массоперенос измерялась конечная высота подъема воды в вертикальных капиллярах без звука и под дей­ ствием звука.

Однозначной зависимости Ah от частоты звука не оказалось, во всех случаях наблюдался одинаковый максимум подъема воды. Автор объясняет это тем, что высота подъема определялась соотноше­ нием частоты колебания звука с частотой колебаний самих молекул воды.

В других работах [102, 103] подтверждается подобие кривой сушки кварцевого песка конвективным и акустическим методами; в первом периоде температура материала несколько снижается, у пер­ вой критической точки температура во всем объеме материала вырав­ нивается, а затем градиент температуры возрастает и меняет свое направление. При высушивании пенополиуретана с содержанием влаги 9,0—4,5 кг/кг увеличение интенсивности звука с 167 до 169 дб снизило время сушки с 40 до 7 мин (в 5,7 раза). В работе 10. С. Бори­ сова и Ю. Г. Статникова [103] дается методика расчета безразмерных коэффициентов тепло- и массообмена для поверхности шара, цилин­ дра и трубы. Коэффициенты теплопереноса состоят из двух частей: Nua — вызываемой акустическим' потоком и Nu^ — пульсацией

где V0 — частота колебаний;

Влияние первого члена правой части равенства преобладает над вторым.

В работах М. Ф. Казанского и Р. В. Луцика [104] исследовалось действие слабых (до 145 дб) звуковых полей на высушивание силикагеля и кожи. Авторами установлено, что изменение частоты колеба­ ний звука от 15 ООО до 1000 Гц не ускоряет сушку их по сравнению с сушкой при естественной конвекции и лишь при частоте колебаний менее 1000 Гц скорость сушки значительно увеличивается.

При этих условиях и постоянном давлении 106 дб акустическая сушка без дополнительного нагревания материала протекает так же,

звуковой сушки кожи, представляющего собой отношение скорости сушки под действием звука в условиях естественной конвекции к ско­ рости сушки без звука, от влагосодержания и частоты звука. Действие звука авторы объясняют разрушением пограничного слоя, подтверждая это тем, что увеличение частоты звука также изменяет коэффициент теплообмена.

166

В работах М. П. Волоровича, Н. И. Гамаюнова и А. И. Яценко по сушке акустическими волнами кускового торфа [105] показано, что скорость распространения звука в материале зависит от его влаж­ ности (табл. VI-8).

Иной точки зрения придерживаются А. Е. Ключарев, Г. А. Карташев и Н. А. Тихонов [106]. Они рассматривают капиллярно-пори­ стые тела как набор резонаторов, в которых при прохождении через

S)

Б. Н. Стадником и М. Ф. Казанским [107] исследовалось влияние пористой структуры и поглощенной влаги на распространение звука в капиллярно-пористом теле (в кварцевом песке с размером частиц 0,712—0,094 мм). Ослабление ультразвука частотой 70 кГц происхо­ дит в разных фракциях песка при разной влажности материала и от­ носительном заполнении объема пор соответствующей фракции. Песок увлажняли водой и толуолом. Результаты эксперимента при­ ведены в табл. VI-9.

Кривая ослабления звука от влажности имеет минимум в точке а, затем максимум в точке b и затем опять минимум в точке с, причем чем мельче частицы, тем позднее (при большей влажности) наступают экстремальные точки.

Ослабление.ультразвука при увлажнении песка толуолом начи­ нается ири меньшем заполнении пор. "Таким образом, ослабление ультразвука определяется пористой структурой материала и состоя­ нием влаги в порах. Такое сложное влияние влажности авторы объяс­ няют различной стадией обводненности четочных капилляров. Первое минимальное значение наступает при образовании на стыке твердых частиц жидкостной манжеты, что уменьшает потери на трение и при-

167

водит к дополнительному сжатию всей системы, вследствие наличия капиллярных сил. Это сжатие продолжается до слияния поверхно­ стей, ограничивающих жидкость между частицами, и появления раз­ общенных пузырьков воздуха в толще материала. Это еще больше ослабляет звук. Вытеснение пузырьков воздуха вновь уменьшает ослабление звука. Ослабление ультразвуковых колебаний при пол­ ном заполнении пространства жидкостью вызывается термическим эффектом, возникающим на границе раздела фаз при прохождении звуковой волны.

Ряд авторов проводил исследование эффективности сушки звуко­ выми волнами по сравнению с другими методами сушки. Для сравне­ ния интенсивности звуковой и конвективной сушки брали керами­ ческие диски влажностью 0,34 кг/кг диаметром 120 мм и толщиной 20 мм. Диски высушивали до влажности.0,24 кг/кг при скорости воз­ духа, соответствующей давлению 160 дб, и температуре 20, 70 и 140°С. При t — 20°С скорость звуковой сушки оказалась в 2,5 раза больше, чем скорость конвективной сушки, при t = 70°С в 2,2 раза и при t = 140°С всего в 1,4 раза выше [108].

Сопоставление скорости звуковой и высокочастотной сушки пока­ зало [109], что если высокочастотная сушка способствует более быст­ рому подводу влаги к поверхности высушиваемого материала, то акустическая (звуковая) сушка усиливает скорость испарения ее с по­ верхности материала, поэтому комбинация их,должна давать поло-

168

жительный эффект. Сопоставление обоих методов проводилось также на керамических дисках с начальной влажностью 0,28 кг/кг. Давление при звуковой сушке принималось 168 дб, частота 7 кГц, высокочастот­ ная сушка происходила при напряжении на электродах 0,6 кВт

ичастоте тока 40,68 мГц.

Впервый период скорость акустической сушки выше, чем ско­ рость высокочастотной. После снижения влажности дисков с 0,292 до 0,104 кг/кг, т. е. почти в три раза, скорость высокочастотной сушки становится выше, чем скорость акустической сушки. Темпера­ тура материала при акустической сушке в 2—3 раза ниже, чем при высокочастотной. Комбинация этих двух методов на протяжении

сильно замедляет сушку толщина материала: время сушки обратно пропорционально толщине.

Сравнение акустической сушки с сушкой инфракрасным излучени­ ем показывает, что скорость первой при одной и той же температуре материала значительно выше, чем второй: если при акустической сушке на это затрачивается 58 мин, то при радиационной — 73 мин.

Сопоставление скорости сушки тремя методами дает следующие

169