7.1. Адіабатне сушіння

У звичайну сушарку періодичної дії завантажують вологий матеріал, через який пропускають потік нагрітого повітря доти, доки кінцевий продукт не стане достатньо сухим. Процес вважається адіабатним в тому випадку, якщо попередньо нагрівається повітря, що контактує з твердою речовиною, а не безпосередньо сам твердий матеріал. Ця відмінність є важливою для відокремлення процесів нагрівання і сушіння і, відповідно, проведення незалежного аналізу та контролю. Неадіабатне сушіння буде розглядатися в кінці цього розділу.

7.1.1. Психрометрія

Психрометрія - це наука, що описує властивості вологого повітря. Деякі з цих властивостей взаємопов'язані і безпосередньо стосуються процесу сушіння. Тому для ефективного контролю цього процесу деякі параметри вологого повітря повинні регулюватися взаємозв'язано. Оскільки вибір таких параметрів впливає на ефективність процесу сушіння, то необхідна правильна оцінка цього впливу і відповідний вибір способів вимірювання цих властивостей.

На рис.7.1 зображена спрощена психрометрична діаграма для повітря і водяної пари при атмосферному тиску. Вона побудована в координатах «абсолютна вологість, виражена в кілограмах водяної пари на кілограм сухого повітря, - температура сухого термометра». Абсолютну вологість можна також виражати у масових або об'ємних долях водяної пари на мільйон доль сухого повітря, або в грамах на 1 м³ сухого повітря.

1. Теплота пароутворення речовини - кількість теплоти, необхідна для переведення 1 моля речовини в стан пари при температурі кипіння. Вимірюється в Джоулях. В техніці часто використовують питома теплота пароутворення, яка вимірюється в Джоулях/кг, що більш зручно для розрахунків.

Рис.7.1. Психрометрична діаграма процесу сушіння.

Гранична лінія в лівій частині діаграми є лінією насичення. Зліва від цієї кривої волога не може існувати тільки в одній фазі, вона конденсуватиметься в точці насичення у вигляді роси, туману або інею. Температура, при якій починається конденсація, відома як точка роси (температура конденсації). При будь-якому тиску кожному значенню абсолютної вологості відповідає власна точка роси. У такому разі значення точки роси при постійному тиску може бути показником абсолютної вологості. Якщо тиск знижується, то для цієї точки роси абсолютна вологість зростає. Точка роси важлива в тих процесах, де необхідно уникнути конденсації, наприклад в трубопроводах, фільтрах і т.д.

Температурі 0,01° С відповідає потрійна точка, в якій одночасно існують всі три фази. Нижче цієї температури водяна пара безпосередньо буде конденсуватися в тверду фазу. Отже, температури точки роси нижче за 0°С фактично будуть температурами точки замерзання.

1. Конденсація - процес переходу газу або насиченої пари в рідину чи тверде тіло внаслідок охолодження або стиснення їх. Швидкість процесу залежить від зовнішніх умов - тиску, температури, інколи - наявності інших речовин. В атмосфері конденсація відбувається при наявності ядер конденсації при зниженні температури до точки роси. [1]

Відносна вологість є відношенням мольної долі вологи в повітрі до мольної долі вологи при насиченні для однакових умов за температурою і тиском. Відносну вологість RH (relative humidity) можна представити і як відношення парціального тиску (partial pressure of water vapor) водяної пари в повітрі до

тиску насиченої водяної пари (saturated vapor pressure of water) при даній температурі :

При насиченні парціальний тиск і тиск насиченої водяної пари рівні, отже відносна вологість складає 100%.

Відносну вологість найпростіше визначати за зміною розмірів таких волокнистих матеріалів як волосся, вовна, деревина або папір, так як вони залежать від вмісту вологи у повітрі. Цей параметр є найважливішим контрольованим параметром середовища, в якому зберігають або використовують матеріали такого роду. Наприклад, для збереження правильних розмірів папір для самописців або міліметрівку слід зберігати і використовувати в умовах певної відносної вологості. Вологість твердих матеріалів, що знаходяться в рівноважному стані з повітрям, безпосередньо пов'язана з його відносною вологістю.

Рівноважний стан є бажаним при довготривалому зберіганні, але не при самому процесі сушіння. Для створення рушійної сили процесу сушіння атмосферні умови в сушарці повинні істотно відхилитися від атмосферних умов рівноважного стану зовнішнього твердого матеріалу. Отже, фактори, що впливають на сушіння, відрізняються від відповідних факторів при рівноважному стані, і для їх визначення необхідні інші вимірювання.

З точки зору перенесення тепла, швидкість випаровування вологи з твердого матеріалу прямопропорційна різниці температур навколишнього повітря і матеріалу. Температуру повітря показує сухий термометр. Температура твердого матеріалу наближається до показів мокрого термометра, оскільки мокрий термометр фактично є вологим твердим матеріалом, на поверхні якого відбувається адіабатний процес випаровування вологи.

Тому температура мокрого термометра є найважливішим параметром, що впливає на швидкість сушіння. В умовах навколишнього середовища її легко виміряти як температуру поверхні, з якої надлишок вологи випаровується в зовнішнє середовище. Найважче виміряти цю температуру в потоках гарячого повітря і всередині сушарок, оскільки там створюються умови, що сприяють швидкому випаровуванню. У цих умовах поверхня термометра швидко забруднюється завислими, розчиненими частинками і частинками, що містяться в повітрі.

Проте, знаючи температуру сухого термометра і абсолютну вологість, можна визначити температуру мокрого термометра або за психрометричною таблицею, або розрахунковим шляхом за допомогою методу проб і помилок. Відомо, що описана нижче методика забезпечує швидку збіжність результатів. Для цього:

1. Оцінюється температура (wet-bulb experimental temperature) мокрого

термометра;

2. При відомій температурі сухого термометра Т і абсолютній вологості

(absolute humidity) за температурою мокрого термометра розраховується абсолютна вологість при насиченні (saturated absolute humidity):

3. Визначається мольна доля (mole fraction of saturated water vapor) насиченої водяної пари:

4. Визначається парціальний тиск p_s шляхом множення значення мольної долі на загальний тиск:

5. За допомогою таблиць для водяної пари визначається температура насичення , що відповідає тиску. Якщо не узгоджується із , то замість

підставляється значення , і процедура підбору повторюється.

Приклад 7.1. Знайти температуру мокрого термометра при температурі повітря 649°С, якщо його абсолютна вологість рівна

При низьких значеннях температури сухого термометра і вологості температура мокрого термометра змінюється набагато більше, ніж при високих значеннях. Ця тенденція відображається формою кривої насичення. В стані насичення температури мокрого термометра, сухого термометра і точки роси збігаються.

Лінії постійної температури мокрого термометра є також, по суті, лініями постійної ентальпії¹. Це відповідає визначенню температури мокрого термометра як температури адіабатного випаровування. Використовуване для сушіння повітря повинне бути спочатку нагріте, що згідно з рис.7.1, при постійній вологості відповідає зростанню температур мокрого і сухого термометрів. Потім в процесі контакту повітря в адіабатній сушарці з вологим твердим матеріалом температура повітря за мокрим термометром знижується, а вологість росте. Якщо температура твердого матеріалу залишається постійною, то ентальпія повітря також буде постійною. Температура повітря перетворюється на питому теплоту утворення водяної пари. Тому зміна параметрів повітря в сушарці відбувається вздовж лінії постійної ентальпії, яка, в той же час, є лінією постійної температури мокрого термометра. У такому разі за показами мокрого термометра температура повітря в сушарці є постійною. В результаті температура твердого матеріалу в сушарці також прямує до сталого значення.

Завершуючи розгляд психрометричних аспектів сушіння, слід відмітити, що всі співвідношення, характерні для цього процесу, аналогічні співвідношенням для водяної пари та ідеального газу². Якщо сушильним агентом є вуглекислий газ, або водень, то можна використовувати ту ж психрометричну таблицю з поправкою на молекулярну масу газу. Зміни тиску газоподібного середовища можна враховувати аналогічним чином.

1. Ентальпія - це повна енергія системи, позначається через Н. Термін ентальпія походить від грецького enthalpo - «нагріваю» і був уведений у 1909 р. X. Камерлінг-Оннесом. Ентальпія розширеної системи - це сума внутрішньої і потенціальної енергій, що зумовлена зовнішнім тиском. Одиницею ентальпії є джоуль (Дж). [4]

2. Ідеальний газ - це газ, в якому молекули можна вважати матеріальними точками, а силами притягання й відштовхування між молекулами можна знехтувати. У природі такого газу не існує, але близькими за властивостями до ідеального газу є реальні розріджені гази, тиск в яких не перевищує 200 атмосфер і які перебувають при не дуже низькій температурі, оскільки за таких умов відстань між молекулами набагато перевищує їх розміри. Розрізняють три типи ідеального газу: класичний ідеальний газ або газ Максвелла-Больцмана, ідеальний квантовий газ Бозе (складається з бозонів), ідеальний квантовий газ Фермі (складається з ферміонів). [5]

Зниження загального тиску середовища відповідає зниженню парціального тиску повітря, оскільки при даній температурі парціальний тиск водяної пари визначається її тиском в умовах насичення.