Лабораторные работы / 4

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

Химико-технологический институт

Кафедра машины и аппараты химических производств

Отчёт

Лабораторная работа № 4

Изучение работы сушильного шкафа с инфракрасным и конвективным подводом тепла.

Преподаватель	Хомякова Т.В.
Студент	Хитрых А.В.
Группа	Фт-320016

Екатеринбург

2025 г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение механизмов и закономерностей удаления влаги в процессах сушки в зависимости от способов подвода тепла к высушиваемому материалу.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1. Определение времени сушки и количества испаряемой влаги.

2. Построение графиков скорости удаления влаги в различные периоды сушки при различных режимах нагрева.

3. Зависимость затраченной энергии от режимов сушки.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Сушка — это способ удаления влаги из материалов с использованием тепловых и диффузионных процессов. В них влага материала передается сушильному агенту и вместе с ним удаляется из рабочей зоны сушилки. Этим она отличается от других способов удаления влаги за счет механического отжима в прессах или центрифугах и физико-химического, основанного на применении водопоглощающих средств.

Сушке могут подвергаться твердые материалы, в том числе кристаллические; эластичные и хрупкие гели, коллоидно-дисперсные и капиллярно-пористые тела и жидкости – коллоидные растворы и растворы кристаллоидов. Влага в материалах может быть связана различными способами: химически – ионная, молекулярная связь; физико-химически – адсорбцией, осмотически, структурно; механически – находиться в капиллярах или на смоченной поверхности. При этом влага, содержащаяся в капиллярах пористых тел, называется механически удерживаемой; влага на поверхности тел называется влагой смачивания. Влага, связанная с материалами химическими связями, не может быть удалена сушкой.

Содержание влаги в материале определяется его влажностью W и оценивается в процентах или частях от всей массы влажного m_влаж или сухого m материла ξ

Если над влажным материалом находится влажный воздух, то со временем между влагой воздуха и влагой, содержащейся в материале, устанавливается равновесие и переход влаги сушильному агенту прекращается. Влажность материала в этом состоянии называется равновесной и таким образом является функцией парциального давления водяного пара в окружающей среде и температуры. Зависимость значений равновесной влажности от парциального давления паров воды в воздухе или его относительной влажности при постоянной температуре называют изотермой сорбции влаги. Очевидно, что с помощью влажного воздуха удалить всю влагу невозможно.

При конвективной сушке влага удаляется с поверхности материала обновляемым сушильным агентом. Перемещение влаги из глубины материала к поверхности осуществляется за счет диффузионного процесса. Его движущей силой являются градиенты внутреннего давления, температуры и концентрации влаги. Влага, находящаяся в порах материала и осмотическая влага мигрируют к поверхности в жидком виде, а адсорбционно-связанная — в виде пара.

В общем случае можно записать:

где m_w - скорость переноса влаги, кг/с;

F - поверхность материала, м;

С - концентрация влаги, г/м³;

К₁ - постоянная влагопереноса, кг *м²/с*г.

При интенсивной сушке диффузия влаги в материале сопровождается тепловым воздействием. В начале сушки материал подогревается, и скорость удаления влаги возрастает от нуля до некоторой постоянной величины. В начальный период удаляется поверхностная и капиллярная влага, механически связанная с материалом (рис. 1, 6). Этот период продолжается до тех пор, пока температура материала, покрытого влагой, не станет равной температуре мокрого термометра - точка К! на кривой скорости сушки. Затем удаляется адсорбированная влага, более тесно связанная с материалом. Постепенно скорость сушки уменьшается до нуля и устанавливается равновесная влажность материала. Критические точки К₁ и К₂ на кривой скорости сушки соответствуют изменению механизмов удаления влаги: до точки К! удаляется поверхностная влага и влага пор, после точки К₂ — адсорбционно-связанная влага.

Описание и принцип работы лабораторной установки

Работа проводится с использованием электрошкафа для сушки с инфракрасным излучением Универсал-СД-2П (рис. 2). Через отверстие в верхней стенке шкафа проходит термостойкая нить, на которой подвешена чаша с высушиваемым материалом. Верхний конец нити крепится к нижнему подвесу электронных цифровых весов.

Эта установка позволяет измерять и контролировать температуру внутри шкафа, а также массу высушиваемого материала в реальном времени. Нить, проходящая через верхнее отверстие шкафа, поддерживает чашу с материалом, обеспечивая точное измерение массы во время процесса сушки. Электронные весы, к которым крепится нить, позволяют фиксировать изменения массы с высокой точностью, что важно для анализа процесса удаления влаги из материала.

Рисунок Х – Принципиальная схема установки

1 – Аварийная защита от перегрева.

2, 3 – Регулирование температуры на верхнем и нижнем ярусе, соответственно.

4 – Регулирование расхода воздуха (производительности вентилятора).

5 – Измерение рабочей температуры воздуха в камере.

6, 7 – Измерение температуры продукта в 2-х точках.

8 – Измерение влажности воздуха в камере.

9 – Измерение действительного расхода воздуха.

10 – Измерение массы продукта.

11 – Потребляемая мощность.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Данные, полученные в ходе эксперимента, а также рассчитанные по его результатам, представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений

№ п/п	Режимы сушки		Начальная масса образца, г	Конечная масса образца, г	Убыль влаги, %	Время сушки, мин	Затраченная мощность, кВт/ч
	Температура в камере, °C	Расход воздуха, л/мин
1	69	5,5	3	6,62	0	0	54,68
2	69			6,56	0,1	4	54,27
3	69,4			6,46	0,1	9	53,56
4	69,3			6,36	0,1	14	52,83
5	70,0			6,26	0,1	21,5	52,08
6	70,8			6,16	0,1	25	51,30
7	70,6			6,06	0,1	29,5	50,50
8	73,8			5,96	0,1	36,5	49,66
9	75,2			5,86	0,1	40	48,81
10	73,1			5,76	0,1	45,5	47,92
11	74,0			5,66	0,1	49	47,00
12	72,7			5,56	0,1	56	46,04
13	74,8			5,46	0,1	60	45,05
14	75,4			5,36	0,1	64	44,03
15	75,1			5,26	0,1	69	42,97

Выкладка расчётов

Расчёт приведён для строки №10:

1. Расчёт влаги в образце на данный момент времени:

2. Присчитаем убыль влаги:

Рисунок 1 – Убыль массы от времени

Рисунок 2 – Убыль влаги от времени

Рисунок 3 – Скорость убыли влаги от времени

Выводы

В ходе данной лабораторной работе мы изучили процесс сушки.

Наглядно изучили закономерности переноса влаги от времени.

И на основе полученных данных можно сказать что мы не достигли периода падения скорости, и работа велась в области постоянной скорости.