Файл: Жуков Д.В. Основы теории и техника сушки теплоизоляционных изделий.pdf

2) на участках изотерм от ф =25 до ср=90% изотер­ мы обращены выпуклостью к оси абсцисс, что характер­ но для полимолекулярной адсорбции;

3) на участках изотерм от ср=90 до ср=100% влага поглощается без выделения тепла, а равновесная влаж­ ность изменяется с температурой наиболее интенсивно, что свидетельствует о связи влаги с материалом капил­ лярными силами.

Таким образом, изучение изотерм сорбции и десорб­ ции позволяет установить форму связи влаги с материа­ лом и дает ориентацию в выборе режима его сушки.

Влажность материала, находящаяся при данной тем­ пературе в равновесии с окружающим воздухом, полно' стью насыщенным водяными парами (ср = 100%), назы­ вается гигроскопической wr. Гигроскопическая влаж­ ность, как следует из этого определения, может быть чис­ ленно равна пределу сорбционного увлажнения. Сухой материал в изотермических условиях поглощает влагу из окружающего, насыщенного водяными парами возду­ ха только до гигроскопической влажности. Дальнейшее поглощение влаги при изотермических условиях может происходить лишь при условии соприкосновения мате­ риала с зеркалом воды.

Процесс, обратный сорбции, называют десорбцией. При десорбции протекает процесс уменьшения влажно­ сти материала от предела его сорбционной влажности до абсолютно сухого состояния.. Процесс сушки аналоги­ чен процессу десорбции, но охватывает более широкие пределы влажностного состояния материала, так как на­ чальная влажность материала может быть и больше гиг­ роскопической.

Характер протекания процесса конвективной сушки материалов.

Механизм процесса сушки влажных материалов изу­ чали отечественные и зарубежные исследователи. Среди них в первую очередь следует указать на работы П. С. Косовича, Т. К. Шервуда, И. Лыоиса, Я. М. Миниовича, М. Ю Лурье, И. М. Федорова, П. Д. Лебедева, К. А. Нохратяна, О. Кришера, Г. К. Филоненко и др. В этой об­ ласти, как и в области теории сушки в целом, огромная работа проделана А. В. Лыковым.

•Характер изменения влажности материала в процес-

16

се сушки обычно представляют в виде кривой сушки (рис. 4), отображающей зависимость

где w — влажность материала в %; т — время сушки в ч.

Изменение влажности материала в единицу времени, т. е. скорость сушки, выражают в зависимости от влаж­ ности материала:

рис. 5, носит название кривой скорости сушки, которую обычно получают путем графического дифференцирова-

"X_!

hi

ния кривой сушки. Кроме кривых сушки и скорости суш­ ки для анализа характера протекания процесса исполь­ зуют введенные А. В. Лыковым температурные кривые (см. рис. 4), характеризующие изменение температуры материала в зависимости от времени или влажности ма­ териала.

При сушке материала воздухом с постоянными темпе­ ратурой, скоростью движения и относительной влажно­ стью в соответствии с характером изменения кривых скорости сушки и температурных кривых процесс сушки можно разделить на следующие периоды:

а) период прогрева, характеризующийся нарастани­ ем температуры материала до температуры мокрого тер­ мометра (соответствующей данной относительной влаж­ ности воздуха) и нарастанием скорости сушки до неко­ торой наибольшей величины, определяемой точкой 1 (см.

рис. 5);

б:'.£5лио i

ЭКЗЕМПЛЯР

б) период постоянной скорости сушки, обозначенный отрезком 1—2 (см. рис. 5). В течение этого периода ско­ рость сушки остается постоянной и по величине, близкой к скорости испарения воды с открытой поверхности. Температура материала также постоянна и равна темпе­ ратуре мокрого термометра. Концентрация влаги на по­ верхности материала выше гигроскопической влажно­ сти. Давление паров над поверхностью материала посто­ янно и равно парциальному давлению паров при полном насыщении воздуха. В этот период происходит испарение свободной влаги из материала;

в) период падающей скорости сушки, обозначенный отрезком 2—3 (см. рис. 5). Этот период наступает по до­ стижении материалом средней влажности, соответствую­ щей точке 2 кривой и называемой критической влажно­ стью wK, при этом на поверхности материала влажность будет равна гигроскопической шг. Скорость сушки в этот период снижается в каждый последующий момент вре­ мени и при достижении материалом равновесной влаж­ ности шр становится равной нулю, т. е. сушка материала прекращается. Падение скорости сушки сопровождается уменьшением расхода тепла на подогрев материала, вследствие чего температура материала начинает повы­ шаться, стремясь достигнуть температуры окружающего воздуха. Снижение скорости сушки в этот период обус­ ловливается испарением связанной влаги из материала. При этом парциальное давление водяных паров на по­ верхности материала становится меньшим, нежели дав­ ление насыщенных паров при данной температуре мате­ риала.

Исследованиями установлено, что величина критиче­ ской влажности зависит от режима сушки и размеров изделия. При повышении температуры и скорости движе­ ния воздуха величина критической влажности повышает­ ся, продолжительность периода постоянной скорости уменьшается. Увеличение относительной влажности воз­ духа уменьшает критическую влажность. При увеличе­ нии размеров изделия критическая влажность повыша­ ется.

Тепло- и влагообмен между влажным материалом и окружающей газовой средой

Процесс сушки представляет собой совокупность од­ новременно протекающих явлений переноса тепла и вла-

18

жительность сушки в первом периоде может быть умень­ шена также в два раза. Для упрощения расчетов на ос­ новании соотношений (7) — (9) нами построены номо­ граммы (рис. 6), по которым можно определять значе­ ния N для различных параметров режима сушки.

Испарение влаги с поверхности материала создает градиент влажности между поверхностным и последую­ щими слоями материала и вызывает перемещение влаги

Рис. 6. Скорость испарения во­ ды со свободной поверхности при различной скорости тепло­ носителя

а — 1 м/сек; б — 2 м/сек; о — 4 м/сек

20

по направлению к высушиваемой поверхности. ИсслеДованиями установлено, что влага из толщи материала мо­ жет подводиться к его поверхности по капиллярам в ви­ де жидкости или пара. Сорбционная (связанная) влага диффундирует к поверхности только в виде пара.

Внешний тепло- и влагообмен при сушке материалов. Процесс теплообмена между нагретым газом и влажным материалом описывается уравнением

в °С; г — теплота испарения в к к а л / к г — скорость сушки в %/ч

Таким образом, левая часть уравнения характери­ зует количество тепла, передаваемое через поверх­ ность материала, а правая — количество тепла, воспри­ нимаемое материалом и расходуемое на испарение влаги и нагрев сухой массы. В период постоянной скорости сушки температура материала не изменяется, и, выра­ жая скорость сушки N в %, получим

ар (tc — tM) = V frYo

откуда

Установлено, что коэффициент теплообмена а зави­ сит от свойств газа (вязкости, теплоемкости, теплопро­ водности), скорости и характера его движения у воспри­ нимающей тепло поверхности, т. е. от гидродинамических условий обтекания тела.

Все эти зависимости описываются системой, диффе­ ренциальных уравнений, решить которые можно лишь при ряде допущений, поэтому используют эксперимен­ тальные данные, обобщая их при помощи аппарата тео­ рии подобия. На основании теории подобия установлено,

21

что, объединяя в группы ряд зависимостей, влияющих на теплообмен, коэффициент теплообмена можно выразить в виде функций ограниченного числа переменных, вводя безразмерные сочетания величин, влияющих на теплообмен, называемые критериями подобия. Установ­ ленные критериальные зависимости позволяют получить одно и то же решение для всех случаев, для которых кри­ терии имеют одно и то же значение при одинаковых гра­ ничных условиях. Размерность критериев нулевая.

Для теплообмена, не осложненного влагообменом при вынужденном характере движения газовой среды,

где Nu — критерий Нуссельта, называемый безразмерным коэффи­ циентом теплообмена; он характеризует отношение плотности тепло­ вого потока <7, находимой через коэффициент теплообмена а, к плот­ ности потока, который имел бы место в условиях чистой теплопро­ водности X в слое толщиной I

здесь I — определяющий размер; Re — критерий Рейнольдса, пред­ ставляющий собой меру отношения сил инерции к силам трения; он определяет гидродинамические условия обтекания тела;

(13)

v

здесь v — скорость газового потока в м/сек; v — коэффициент кине­ матической вязкости; Рг — критерий Прандтля, объединяющий фи­ зические свойства газа и характеризующий соотношение между по­ лями скорости и температуры;

(14)

здесь у и с — соответственно удельный вес и теплоемкость газа; а —

коэффициент температуропроводности, равный — ; для воздуха или

с

дымовых газов Рг=0,73 в широких пределах изменения температур и давлений. '

Важным является выбор определяющего размера I в критериях. Обычно для плоских тел — это их линейный

22