Сушильные агенты. Выбор сушильного агента и режима сушки.

В качестве сушильного агента могут использоватьсянагретый воздух, топочные газы и их смеси с воздухом, инертные газы, перегретый пар. Если не допускается соприкосновение высушиваемого материала с кислородом воздуха или если пары удаляемой влаги огнеопасны, сушильными агентами служат инертные газы (азот, СО₂ и др.) либо перегретый водяной пар. В простейшем случае сушильный процесс осуществляется т. обр., что сушильный агент, нагретый до т-ры, предельно допустимой для высушиваемого материала, однократно используется в аппарате. Для термолабильных материалов (напр., полиэтилена) сушильный агент только частично подогревается в осн. калорифере, а остальную теплоту получает в дополнит. калориферах, установленных в сушильной камере.

Выбор сушильного агента зависит от типа сушки, вида материала.

Режимом сушки называется расписание температуры и влажности сушильного агента, изменяемых или поддерживаемых на одном уровне на протяжении процесса сушки в зависимости от влажности высушиваемого материала. Это расписание может координироваться по времени процесса и применяться в отдельных частных случаях.
Расписание режимов сушки общего назначения предусматривает постепенное повышение температуры и понижение относительной влажности сушильного агента.
Все режимы задаются для состояния воздуха (газа), входящего в сушилку, а не выходящего из них. Основными параметрами режимов сушки являются температура и психрометрическая разность (температура по сухому и мокрому термометрам) воздуха (газа). В зависимости от температуры и влажности сушильного агента интенсивность испарения влаги может быть различной. Интенсивность процесса принято называть жесткостью режима. При одинаковой температуре более жестким или менее мягким будет режим, имеющий меньшую относительную влажность сушильного агента по ступеням режима. При одинаковой относительной влажности сушильного агента более жестким или менее мягким будет режим, имеющий более высокую температуру. Номера режимов сушки, рекомендуемые нормативами по камерной сушке пиломатериалов, возрастают с уменьшением жесткости режимов.Режимы назначают в соответствии с видом высушиваемых материалов, их влажностью, категорией качества сушки и типом сушильных камер.

 

 

81. Конвективная сушка. Параметры влажного воздуха (I-x диаграмма).

Конвективная сушка проводят путем непосредственного контакта материала и сушильного агента. Подвод теплоты осуществляется газовой фазой ( воздух или смесь воздуха с продуктами сгорания топлива), которая в процессе сушки охлаждается с увеличением своего влагосодержания.

Влажный воздух наиболее часто используется в качестве сушильного агента, характеризуется следующими параметрами: относительная и абсолютная влажность, влагосодержание, теплоемкость, энтальпия.

Абсолютная влажность - это масса водяного пара в единице объема влажного воздуха. Поскольку пар как компонент бинарной газовой смеси занимает весь объем влажного газа, понятие абсолютной влажности совпадает с понятием плотность пара при t и парциальном давлении p.

Относительная влажность( )-это отношение количества паров жидкости в газе к максимально возможному при данных температуре и общем давлении или отношение плотности пара пара при данных условиях к плотности насыщенного пара при тех же условиях:

или

Под влагосодержанием X понимают количество пара жидкости (в кг), приходяшегося на 1 кг абсолютно сухого газа:

 

Где - масса (массовый расход) пара, кг (кг/с); L- масса (массовый расход) абсолютно сухого газа, кг (кг/с).

Удельную энтальпию (I) парогазовой смеси (в Дж/кг) выражают по правилу аддитивности как сумму удельных энтальпий сухого газа и пара :

. Для определения параметров влажного воздуха, изменяющихся в процессе сушки, млжет быть использована диаграмма Л.К.Рамзина, на которой в координатах энтальпия (I)-влагосодержание (х) нанесены линии постоянной относительной влажности ( =const), изотермы (t=const) и линия зависимости

парциального давления водяного пара от влагосодержания воздуха. Диаграмма построена для среднегодового давления центральных районов России(Р=100 кПа). Построение линий на диаграмме проведено в соответствии с уравнениями изотермы , линии ( =const) и парциального давления водяного пара.

Кроме того, на диаграмме имеются пунктирные линии (на рис их нет), которые соответствуют постоянной температуре мокрого термометра.

При взаимодействии газа с жидкостью в адиабатических условиях, т.е. без подвода и отвода тепла из вне, газ насыщается парами жидкости, охлаждаясь при постоянном теплосодержании. Пределом охлаждения газа будет температура, соответствующая его полному насыщению( =1). Температура, при которой газ охлаждается при постоянном теплосодержании, становясь насыщенным, называется температурой мокрого термометра. При этой температуре тепло, переходящее от газа к смоченной поверхности , полностью затрачивается на испарение жидкости, а температура последней остается постоянной и находится в пределах между температурой газа и температурой мокрого термометра.

82. Материальный и тепловой баланс конвективной сушки. Понятие о теоретической сушке.

Материальный баланс.

Материальны баланс имеет целью определение количества (расхода) испаренной влаги и расхода сушильного агента. Его составляют для потоков высушиваемого материала и газа.

При составлении баланса по высушиваемому материалу в качестве исходных параметров используют влажность (w) и влагосодержание (х). обозначив через G1 и G2 расходы исходного и высушенного материала, w1 и w2 –их влажности, а через W-расход удаляемой из материала влаги, получим материальный баланс в форме системы из двух уравнений:

 

Из системы можно определить расход удаляемой влаги

 

Используя связь между влажность и влагосодержанием получим уравнение для газовой фазы:

 

Где L- расход абсолютно сухого газа, кг/с; х1 и х2 – влагосодержание газа соответственно на входе и на выходе из сушильной камеры в расчете на 1 кг абсолютно сухих газов, кг.

Найдем расход абсолютно сухого газа, необходимого для сушки:

 

В расчетах и анализе процесса сушки используют понятие об удельном расходе абсолютно сухого газа l (в килограммах абсолютно сухого газа на 1 кг испаряемой воды):

 

Тепловой баланс.

По основному варианту конвективной сушки сушильный агент, нагретый в калорифере, однократно проходит сушильную камеру, двигаясь прямо- или противоточно по отношению к материалу.

Обозначим параметры сушильного агента до калорифера индексом 0 (х0, I0), после калорифера – индексом 1 (х1, I1) и после сушильной камеры индексом 2 (х2, I2).

Влажный материал в количестве G1 (в кг/с) при прохождении сушилки меняет свою энтальпию от до . Считая энтальпию влажного материала аддитивно складывающейся из энтальпии высушенного материала и содержащейся в материале влаги, получим поток теплоты, входящий с материалом в сушилку

,

Где - теплоемкость высушенного материала, - температура материала, поступающего в сушилку, - теплоемкость воды.

Поток теплоты с покидающим сушилку материалом

 

- температура высушенного материала, уходящего из сушильной камеры.

Теплота, необходимая для сушки, подводиться из калорифера (Qк). Учитывая все поступающие(с сушильным агентом , с влажным материалом ) и уходящие (с сушильным агентом , с высушенным материалом , потери теплоты в окружающею среду ) тепловые потоки, можно получить

уравнение теплового баланса:

.

Кроме того, если в сушилке имеются перемещающие материал транспортные средства, которые покидают сушилку вместе с материалом, с ними входят ( ) и выходят ( )

В окончательном виде уравнение теплового баланса запишется

 

Разделив обе части на расход удаляемой влаги W, получим выражение для удельного расхода теплоты (т.е. отнесенного к 1 кг удаляемой влаги)

 

Где = -удельный расход теплоты она нагрев высушенного материала; = -удельный расход теплоты на нагрев транспортных устройств; = -удельные потери теплоты.

Теоретическая сушка.

Теоретической называется сушка при которой энтальпия остается постоянной, т.е. процесс адиабатический: в условиях теоретической сушки находящегося при температуре , испаряется за счет теплоты охлаждающегося газа, энтальпия которого остается постоянной в силу того, что убыль теплоты компенсируется энтальпией переходящих в газ паров влаги.

Простой сушильный вариант теоретической и реальной сушилок

Для анализа и расчета процессов сушки удобно ввести понятие о теоретической сушилке, в которой температура материала, поступаю­щего на сушку, равна нулю, нет расхода тепла на нагрев материала и транспортных устройств, нет дополнительного подвода тепла в самой сушильной камере и потерь тепла в окружающую среду. Следовательно, для теоретической сушилки

(1)

и, согласно выражению (2)

 

При этом в соответствии с урав­нением теплового баланса

(3)

при не равном 0 для теоретической су­шилки

 

т. е. процесс сушки в такой сушил­ке изображается на I-х -диаграмме линией I= const .Это означа­ет, что испарение влаги в теорети­ческой сушилке происходит только за счет охлаждения воздуха, при­чем количество тепла, передаваемо­го воздухом, полностью возвращается в него с влагой, испаряемой из материала.

В действительных сушилках энтальпия воздуха в сушильной камере обычно ие остается постоянной. Если приход тепла в камеру сушилки больше его расхода т. е. величина положи­тельна [см. уравнение 2), то в соответствии с уравнением 3 энтальпия воздуха при сушке возрастает ( )При отрицательном значении энтальпия воздуха в процессе сушки умень­шается

В частном случае в действительной сушилке возможны условия, при которых отдельные члены правой части уравнения 2 хотя и ие равны нулю, как для теоретической сушилки, но вследствие того, что приход тепла в сушильную камеру равен его расходу

 

Величина также будет равна нулю и процесс сушки в действительных условиях равнозначен процессу в теоретической сушилке.

Рассмотрим изображение процесса сушки в теоретической сушилке.

Для расчета должны быгь извест­ны два любых параметра наружного воздуха; обычно такими параметрами являются его температура t₀ и относительная влажность ₀. По пересече­нию линий t₀ = соnst и = соnst находят точку А, характеризующую состояние воздуха перед калорифером. Из точки А проводят вертикаль до пересечения с изотермой t₁ = соnst, где t₁ — температура воздуха после калорифера, которая должна быть задана. Точка пересечения В характеризуег состояние нагретого воздуха перед входом в сушильную камеру. Вертикальный отрезок АВ изображает процесс

Рис.а-теоретич.сушилка;б-действительная сушилка

нагрева воздуха в калорифере, протекающий при х₀ = х₁ = соnst (x₁ — влагосодержаиие нагретого воздуха).

Из точки В проводят линию I₁, которой изображается адиабатический процесс изменения состояния воздуха в сушилке. Кроме величин х_{0 ,} и t₁ при расчете должен быть задан одни из параметров отработанного воздуха — обычно t₂ или Поэтому, продолжая линию = соnst до пересечения с изотермой t₂ =соnst или линией =соnst, получают точ­ку С, выражающую состояние отработанного воздуха на выходе из су­шилки. Отрезок ВС, параллельный оси абсцисс = = соnst , изоб­ражает охлаждение воздуха в процессе сушки.

Ломаная линия АВС — графическое изображение всего процесса из­менения состояния воздуха в теоретической сушилке (в калорифере и сушильной камере), работающей по основной схеме.

Завершив построение, для точек А и С находят на диаграмме значения х₀ =х₁ и х₂ и для точек В и А — значения и с помощью которых определяют удельный расход тепла q_к в основном ка­лорифере. Умножив величины l и q_к на W, находят расходы воздуха L и тепла Q на сушку.

Для изображения процесса в действительной сушилке из точки А, характеризующей состояние воздуха перед калорифером, проводят вертикаль до пересечения с заданной изотермой t₁ =соnst. Из точки пересечения B характеризующей состояние нагретого воздуха перед входом в сушильную камеру (рис.), проводят линию = соnst произвольной длины. На этой линии выбирают любую точку е и откладывают от нее вверх (при > 0) или вниз (при < 0) отрезок

 

где еf₁— расстояние по горизонтали от точки е до линии АВ(х₀ = х₁ = соnst) М = m_у/m_х — отношение масштабов диаграммы I-x

Конец отрезка еЕ (точка E) лежит на линии процесса в действитель­ной сушилке. Поэтому, соединяя точки Е и В и продолжая отрезок ВЕ до пересечения с заданной изотермой t₂ = соnst (или = соnst), находят точку С₁ или С₂, выражающую состояние отработанного воздуха. Опуская из точки С₁, или С₂ перпендикуляр на вертикаль А В, будем иметь соответ­ственно отрезок С₁D₁ или С₂D₂, характеризующий увеличение влагосодержания воздуха в сушильной камере в условиях действительного про­цесса.

83.Кинетика сушки.

Для расчёта сушилок необходимо знать скорость сушки, которая определяется кол-вом влаги W, испаряемой с единицы поверхности F высушиваемого материала за единицу времени. Т.е. U=W/F_τ кг/м²∙сек, где τ – время сушки, сек.

Зная скорость сушки, определяют продолжительность периодического процесса сушки или поверхность высушиваемого материала при сушке непрерывным способом и устанавливают габаритные размеры сушильных аппаратов.

Движущаяся сила процесса определяется разностью давлений р_м-р_п, т.е. разностью давления паров влаги у поверхности материала р_м и парциального давления паров в воздухе (или чистого пара) р_п.

Различают два периода сушки: период постоянной скорости и период падающей скорости процесса.

В течении первого периода влага испаряется со всей поверхности влажного материала так же, как она испаряется с зеркала испарения некоторого объёма жидкости. В этом периоде скорость сушки постоянна и определяется лишь скоростью внешней диффузии, т.е. диффузии паров влаги с поверхности материала в окружающую среду.

Во втором периоде скорость сушки определяется внутренней диффузией – перемещением влаги изнутри материала к его поверхности. С начала второго периода поверхность подсохнувшего материала начинает покрываться коркой и поверхность испарения влаги постепенно уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления внутренней диффузии и к непрерывному уменьшению скорости сушки.

В зависимости от толщины и структуры некоторых материалов испарение влаги с их поверхности в конце второго периода прекращается вовсе и происходит в глубине материала. Поэтому, в соответствии с характером удаления влаги, второй период сушки часто складывается из двух стадий: стадии равномерно падающей скорости и стадии неравномерно падающей скорости.

Двум основным периодам предшествует некоторый период прогрева материала до температуры сушки.

Кинетика сушки определяется обычно путём взвешивания образцов материала в начале сушки и через определённые промежутки времени. По весу образцов рассчитывают абсолютную влажность материала в разл ичные моменты и строят кривую зависимости абсолютной влажности ω_а от времени τ, которая называется кривой сушки (АВК₁К₂С). По этой кривой можно определить скорость сушки.

Скорость сушки, характеризующаяся изменением абсолютной влажности в единицу времени, может быть найдена для каждого данного момента, как тангенс угла наклона кривой сушки (например, tgα2 для точки К₂ на рис.21-13)Найденные значения скорости сушки наносят на график, как функцию абсолютной влажности, и получают кривую скорости сушки (рис. 21-14). Графическое изображение процесса в виде кривых сушки и кривых скорости сушки дает возможность установить различные периоды его протекания.Рассматривая кривые на рис. 21-13 и 21-14, можно различить перечисленные выше периоды сушки материала.

Период прогрева материала (отрезок АВ на рис. 21-14) является, как правило, кратковременным и характеризуется неустановившимся состоянием процесса. За этот период температура материала повышается до температуры мокрого термометра t_M, но его влажность x_нач, снижается незначительно. Скорость сушки возрастает и к концу периода прогрева достигает максимальной величины.

В период постоянной скорости (прямолинейный отрезок ВК₁) скорость процесса является наибольшей, температура материала t_M = const.Начальная точка Kt периода падающей скорости (отрезок К₁К₂С) называется первой критической точкой, а влажность материала х_кp, в этой точке — первой критической влажностью.

Период падающей скорости состоит, в свою очередь, из двух стадий: равномерно падающей скорости (прямолинейный отрезок K₁K₂ на рис.21-14) и неравномерно падающей скорости (кривая К₂ С).

Точка К₂ называется второй критической точкой, а соответствующая ей влажность материала — второй критической влажностью w''_кр .К концу второго периода температура материала повышается и достигает температуры воздуха t_B или среды, окружающей материал. Одновременно влажность материала снижается до равновесной по всей его толщине. С момента достижения равновесной влажности скорость сушки становится равной нулю. При дальнейшем пребывании материала в сушилке его влажность остается постоянной (отрезок CD на рис. 21-13)

Длительность сушки материала достаточно точно можно установить только опытным путем. Общую продолжительность процесса определяют расчетом как сумму длительности сушки в период постоянной скорости и длительности ее в период па­дающей скорости, принимая, что падение скорости сушки во втором периоде происходит прямолинейно.

Абсолютная дложмость гоа

Рабно-десное состояние

Падающая скорость сушки

Постоянная Прогрев скорость материала-сушки

Рис. 21-14. Кривая скорости сушки.

Длительность сушки в отдельные периоды определяют по следующим •формулам:

в период постоянной скорости

 

в период падающей скорости

 

W,

Соответственно общая продолжительность сушки может быть приближенно определена по уравнению

 

где w₁ w₂ и w_p—начальная, конечная и равновесная влажность материала» кг влаги на 1 кг сухого вещества; w'_кp — первая критическая влажность материала (в конце первого периода сушки).Величина С называется коэффициентом сушки и выражается количеством кг испаренной влаги в сек, приходящимся на 1 кг сухого вещества.

Обозначая количество испаренной влаги W кг, количество сухого вещеcтва в высушиваемом материале G_сух, кг и время сушки τ,сек, получим, следующее выражение для коэффициента сушки:

где β — коэффициент массоотдачи в газовой фазе, кг/м²•сек•кг/кгf— удельная поверхность сухого вещества, м²/кг абсолютно сухого вещества

∆_ср— средняя движущая сила, равная средней разности влагосодержания воздуха в насыщенном и рабочем состояниях ∆_ср. = (x*- x)_ср