С у ш к а

1.Общие сведения

Процесс удаления жидкости из твердых или пастообразных материалов путем ее испарения называется сушкой. Необходимость частичного или полного удаления жидкости из высушиваемых материалов диктуется различными причинами: сохранение свойств материалов при длительном хранении, удешевление их транспорта, условия их дальнейшей переработки и т.п. При большом начальном содержании жидкости (будем называть ее в дальнейшем влагой) частичное ее удаление возможно механическим путем (отжимом, фильтрованием, центрифугированием и т.д.), однако при этом не может быть достигнуто достаточно полное удаление влаги. Более полное удаление влаги достигается только путем сушки. По своей физической сущности сушка является сложным процессом, скорость которого определяется скоростью переноса влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. В то же время, высушиваемому материалу необходимо сообщать определенное количество тепла для осуществления, в частности, самого испарения жидкости. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообмена).

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

1 - конвективная сушка - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (часто в смеси с воздухом);

2 - контактная сушка - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3 - радиационная сушка - путем передачи тепла излучением;

4 - диэлектрическаясушка - путем нагревания материала в поле токов высокой частоты;

5 - сублимационнаясушка - в этом случае влага из предварительно замороженного материала переходит в парообразное состояние, минуя жидкое (сублимирует). Процесс осуществляется в глубоком вакууме.

Наиболее широко распространена в промышленности конвективная сушка. Высушиваемый материал при этом, а также ряде других видах сушки находится в контакте с влажным газом (в большинстве случаев с воздухом). Поэтому для дальнейшего изучения процесса сушки остановимся на рассмотрении физических свойств влажного газа на примере влажного воздуха, где влагой является вода (водяной пар).

2. Основные параметры влажного воздуха

При конвективной сушке сушильный агент является тепло- и влагоносителем, так как передает материалу тепло для испарения влаги и воспринимает из материала удаляемую влагу.

При прочих видах сушки находящийся в контакте с высушиваемым материалом влажный газ является только влагоносителем.

Влажный газ (воздух) является смесью сухого воздуха и водяного пара (если влагой является вода) и характеризуется следующими параметрами: абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией (теплосодержанием).

Поскольку влажный воздух является смесью его абсолютно сухой части и содержащихся в ней водяных паров, то по закону Дальтона следует:

, (С.1)

где р - полное давление влажного воздуха, p_СВ, p_П - парциальные давления абсолютно сухого воздуха и водяного пара. Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в кг, содержащегося в 1 м³ влажного воздуха. Водяной пар, как компонент влажного воздуха, находясь под парциальным давлением p_п, занимает весь объем смеси (1 м³). Поэтому абсолютная влажность равна массе 1 м³ пара, или плотности водяного пара _п (кг/ м³ ) при температуре воздуха и парциальном давлении p_п .

Относительной влажностью воздуха  называется отношение абсолютной влажности _п при данных условиях (температуре и общем давлении) к максимально возможной _н (плотности насыщенного пара) при тех же условиях:

(С.2)

С достаточной для технических расчетов точностью можно считать, что влажный воздух подчиняется законам идеальных газов, тогда из уравнения состояния идеальных газов следует, что

и (С.3)

где T - абсолютная температура, К; - мольная масса водяного пара, равная 18кг/кмоль; R-универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж/(кмольК); p_н - давление насыщенного водяного пара при данной температуре. Подставляя значения p_п и p_н в выражение (С.2), получаем

(С.2а)

Влагосодержанием воздуха х называется отношение массы водяного пара (кг), содержащейся во влажном воздухе, приходящейся на 1 кг абсолютно сухого воздуха:

(С.4)

где М_п и М_св - масса водяного пара и масса сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха; _св - плотность абсолютно сухого воздуха.

Учитывая, что

и

имеем

,

где - мольная масса сухого воздуха, равная 29 кг/кмоль.

Поскольку

и из уравнения (С.2а)

получаем

(С.5)

Если воздух насыщен водяными парами (=1), то

(С.5а)

Энтальпия влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха

, Дж/кг, (С.6)

где с_св - средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха, приближенно равная 1000 Дж/(кгК); - энтальпия водяного пара (Дж/кг); Т - температура воздуха, К.

Водяной пар находится в перегретом состоянии в смеси с воздухом. Энтальпия водяного пара при 273 К равняется r₀ = 2493•10³ Дж/кг, средняя удельная теплоемкость перегретого водяного пара с_{п =} 1,97•10³ Дж/(кгК). Энтальпия перегретого пара будет равна

, Дж/кг (С.7)

Подставляя значения и с_п в уравнение (С.6), получаем (в Дж/кг сухого воздуха)

, Дж/кг (С.8)

Плотность влажного воздуха _вл.в равна сумме плотностей сухого воздуха _св и водяного пара _п , согласно выражения (С.4) _п = x _св, тогда

3. - x - диаграмма влажного воздуха

Рис. С.1. - x - диаграмма влажного воздуха

Основные параметры влажного воздуха для технических расчетов можно определять по косоугольной - x диаграмме Л.К. Рамзина (рис. С.1), которая построена для постоянного давления р = 745 мм.рт.ст. (около 99 кПа) (среднегодовое давление для центральных районов России).

На диаграмме нанесены: 1) вертикальные линии постоянного влагосодержания (x=const); 2) линии постоянной энтальпии (=const) под углом 135° к оси абсцисс; 3) линии постоянных температур или изотермы (Т=const); 4) линии постоянной относительной влажности (=const); 5) линии парциальных давлений водяного пара p_п во влажном воздухе, значения которых отложены на правой вертикальной оси диаграммы.

Линия =100% соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Эта линия ограничивает снизу расположенную над ней рабочую площадь диаграммы, отвечающую ненасыщенному влажному воздуху, используемому в качестве сушильного агента.

На диаграмме - x по любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить все остальные параметры.