Лекция 16

С У Ш К А.

Общие сведения

Процесс удаления жидкости из твердых или пастообразных материалов путем ее испарения в окружающую среду 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, центрофугированием 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 диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии 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 (часть в смеси с воздухом);

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

3 - радиационная сушка - путем передачи тепла инфракрасными лучами;

4 - диэлектрическая сушка - путем нагревания материала в поле токов высокой частоты;

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

Высушиваемый материал при любом из первых четырех выше указанных методов 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).

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 методах сушки находящийся в контакте с высушиваемым материалов 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 механической смесью его абсолютно сухой части и содержащихся в ней водяных паров, то по закону Дальтона следует: , где P - полное давление влажного воздуха, Па; p_св p_п - парциальные давления абсолютно сухого воздуха и водяных паров, Па. 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 массы водяного пара в 1 м³ влажного воздуха _п при данных условиях (температуре и общем барометрическом давлении) к максимально возможной массе водяного пара в 1м³ воздуха _н (плотности насыщенного пара) при тех же условиях:

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

и

где T - абсолютная температура, К; М_п - мольная масса водяного пара, равная 18кг/моль; R-универсальная газовая постоянная, равная 8314 Дж/(кмоль;град); p_н - давление насыщенного водяного пара при данной температуре и общем барометрическом давлении, Па. Подставляя значения p_п и p_н в выражение для , получаем .

Если температура воздуха выше температуры насыщения, то максимально возможное давление водяного пара будет равно общему, или барометрическому, давлению B: .

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

где m_п и m_св - масса водяного пара и масса сухого воздуха в данном объеме влажного воздуха; _св - плотность абсолютно сухого воздуха. После преобразований получим . Если воздух насыщен водяными парами (=1).

Энтальпия I влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха ,

где с_св - средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха, приближенно равная 1000 Дж/(кг;град); i_n - энтальпия водяного пара; t - температура воздуха, С.

Водяной пар находится в перегретом состоянии в смеси с воздухом. Энтальпия водяного пара при 0 С равняется r₀ = 2493 10³ Дж/кг, средняя удельная теплоемкость перегретого водяного пара с_п ( 1.97 10³ Дж/(кг;град). Энтальпия перегретого пара будет равна

Подставляя значения i_n и с_п , получим (в Дж/кг сухого воздуха) .

Плотность влажного воздуха _вл.в равна сумме плотностей сухого воздуха _св и водяного пара _п , используя выведенные выше формул, получим

или .

I - x - диаграмма влажного воздуха

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

Диаграмма имеет угол 135 между осями координат, причем на оси ординат в определенном масштабе отложены значения энтальпии I, а на наклонной оси абсцисс - влагосодержание x, которые для удобства пользования диаграммой спроектированы на вспомогательную ось, перпендикулярную оси ординат. На диаграмме нанесены: 1) линии постоянного влагосодержания (x=const), параллельные оси ординат; 2) линии постоянной энтальпии (I=const), параллельные оси абсцисс; 3) линии постоянных температур или изотермы (t=const); 4) линии постоянной относительной влажности (=const); 5) линии парциальных давлений водяного пара p_п во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы.

I - x - диаграмма влажного воздуха

Рис.1. I - x - диаграмма влажного воздуха

При температуре 99.4 С давление насыщенного пара равно .

В этом случае величина  = p_н/B и уравнение принимает вид .

Следовательно, при влажность  не зависит от температуры и практически является постоянной величиной, так же как и влагосодержание воздуха x (при данном значении p_п и B=const). Поэтому при линии =const имеют разный перелом и идут почти вертикально вверх. Незначительное отклонение линий =const от вертикали объясняется тем, что в области высоких температур несколько изменяются параметры пара. 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 I - x по любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить все остальные параметры.