Изображение основных процессов на I, d – диаграмме

Разнообразные процессы тепло- и массообмена между веществами сопровождаются, как правило, нагреванием, охлаждением, увлажнением или осушением воздуха. Иногда эти процессы имеют место при смешении масс воздуха с различными параметрами. Эти процессы, налагаясь один на другой, создают весьма сложные закономерности изменения состояния воздуха.

Процесс нагревания воздуха в рекуперативном теплообменнике (калорифере) происходит без изменения его влагосодержания, т.е. при.

На I, d – диаграмме этот процесс изображается вертикалью, проведенной вверх от точки А, характеризующей начальное состояние воздуха, до точки В, соответствующей его конечному состоянию после нагревания до заданной температуры (рис. 1.3, а).

Если охлаждение влажного воздуха продолжить до состояния, соответствующего пересечению вертикали с линией % (точка на линии , например), то такое состояние соответствует насыщению воздуха водяными парами в процессе охлаждения при , а температура, соответствующая этому состоянию, называется температурой точки росы. Охлаждение воздуха ниже точки росы приводит к конденсации водяного пара и выпадению его в виде росы, т.е. к осушению влажного воздуха. Процесс осушения воздуха изображается на диаграмме линией , совпадающей с линией % и направленной влево от точки росы до пересечения с изотермой, соответствующей конечной температуре охлаждения воздуха. Количество сконденсировавшейся влаги на 1 кг сухого воздуха выражается разностью влагосодержаний, соответствующих точкам начала и конца процесса .

Как следует из выражения (1.9), при % величина и соответственно точка росы зависят только от влагосодержания и общего давления В, но не зависят от температуры и относительной влажности воздуха. Точка росы находится на I, d – диаграмме пересечением линии , проведенной из точки, соответствующей начальному состоянию воздуха, с линией %.

Адиабатное охлаждение воздуха происходит в том случае, когда вся теплота, необходимая для испарения влаги, поступает из окружающего воздуха, являющегося единственным источником теплоты. Процесс испарения (или сушки) при этом происходит по адиабате, т.е. без потерь теплоты и подвода ее извне.

Воздух, отдавая теплоту, охлаждается и одновременно поглощает пары влаги, в результате чего происходит увеличение его влагосодержания и относительной влажности j. Температура испаряющейся влаги при этом

Рис. 1.3. Изображение основных процессов в I, d – диаграмме

постепенно устанавливается постоянной, носит название температуры мокрого термометра и обозначается .

Адиабатная разность температур воздуха и испаряющееся влаги , не зависящая от посторонних тепловых влияний и скоростей потока, характеризует способность воздуха поглощать (или испарять) влагу и носит названия потенциала сушки e. Эта разность по мере испарения влаги уменьшается и становится равной нулю при температуре воздуха, равной . При этом процесс испарения влаги полностью прекращается. Следовательно, температура мокрого термометра является температурой воздуха, соответствующей его насыщению в адиабатических условиях. Поэтому ее называют также пределом адиабатного охлаждения воздуха.

На принципе адиабатного испарения основан прибор, называемый психрометром, служащий для определения относительной влажности воздуха по показаниям сухого и мокрого термометров, помещенных в поток исследуемого воздуха. Сухой термометр представляет собой обычный ртутный термометр, а мокрый отличается от него тем, что его ртутный шарик покрывается материей (марлей или батистом), непрерывно смачиваемой водой. Температура, показываемая мокрым термометром психрометра, всегда немного выше истинной температуры мокрого термометра за счет подвода теплоты излучением, теплопроводностью и ряда других причин. Ошибку в показаниях мокрого термометра можно уменьшить, обернув выступающий столбик ртути смоченной материей (защитив тем самым его от излучения) и сообщив потоку воздуха, омывающему психрометр, бóльшую скорость. При увеличении скорости движения воздуха возрастает скорость испарения, увеличивается расход на испарение воды, и дополнительный поток теплоты, создающий ошибку в показаниях мокрого термометра, становится относительно малым по сравнению с затратой теплоты на испарение. Таким образом, при увеличении скорости движения воздуха ошибка в показаниях мокрого термометра резко уменьшается.

Экспериментально показано, что в неподвижном воздухе значение ошибки составляет 14,5% замеренной психометрической разницы. С увеличением скорости эта ошибка быстро уменьшается и при скорости 1,5-2 м/с становится меньше 1%.

Процессы смешения воздуха различных состояний в I, d – диаграмме представляют большой интерес, так как большинство установок для кондиционирования воздуха и сушилок работает по принципу многократной циркуляции, при которой свежий воздух смешивается с некоторой частью отработавшего воздуха, и эта смесь вновь поступает в аппарат.

Смешение воздуха различных параметров показано на рис. 1.3, б. Влажный воздух в состоянии А, имеющий массу , кг, и параметры и , смешивается с воздухом в состоянии В, имеющим массу и параметры и , т.е.

.

Обозначив , получим:

; (1.36)

, (1.37)

где и - энтальпия и влагосодержание смеси, отнесенные к 1 кг сухого воздуха.

Из равенств (1.36)-(1.37) получим:

; (1.38)

. (1.39)

Разделив (1.38) на (1.39), получим:

. (1.40)

Это уравнение прямой линии с координатами двух точек и . Из уравнения (1.40) следует, что точка, характеризующая состояние смеси, лежит на прямой, соединяющей точки, определяющие состояние компонентов смеси независимо от пропорции смешения. Положение этой точки на прямой определяется заданием либо , либо . Наиболее часто задается , и требуется найти . Из уравнения (1.39) и рис. 1.3, б вытекает:

. (1.41)

Следовательно, точка С (,), характеризующая параметры смеси, делит прямую АВ на отрезки, отношение которых равно величине (по правилу рычага), и лежит тем ближе к точке А, чем меньше .

Из уравнений (1.39)-(1.40) аналитически можно найти и :

; (1.42)

. (1.43)

Если прямая пересечет кривую % и точка , определяющая состояние смеси, окажется ниже кривой насыщения, то это укажет на конденсацию части водяных паров при смешении. Точка при этом характеризует состояние пересыщенного воздуха, т.е. воздуха, насыщенного водяными парами и содержащего, кроме того, влагу в капельном состоянии.

Без большой ошибки можно перенести точку по линии в точку , которая и определит действительное состояние смеси, так как капельная влага имеет ту же температуру, а ее энтальпия пренебрежимо мала по сравнению с энтальпией влажного воздуха. Разность влагосодержаний, соответствующих точкам и , выразит количество влаги, находящейся в воздухе в капельном состоянии.

1.4. Формы связи влаги с материалом [1, 2, 5]

Механизм сушки влажных материалов определяется в основном формой связи влаги с материалом и режимом сушки.

Чем прочнее связь влаги с материалом, тем труднее протекает процесс сушки. При сушке эта связь нарушается.

П.А. Ребиндером предложена следующая классификация форм связи влаги с материалом: химическая, физико-химическая, физико-механическая.

Химически связанная влага прочно соединена с материалом в определенных соотношениях (в виде гидроксильных ионов или молекулярных соединений) и может быть удалена в результате проведения химической реакции или нагревании материала до высоких температур. Эта влага не удаляется из материала при сушке.

В процессе сушки обычно удаляется только влага, связанная с материалом физико-химически или физико-механически. Наиболее легко удаляется физико-механическая влага, которая подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров (капилляров со средним радиусом > или < 10^-5 см).

Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом. А в микрокапилляры влага поступает, кроме того, и в результате поглощения ее из окружающей среды. Влага макрокапилляров свободно удаляется не только сушкой, но и механическим способом.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги, отличающихся прочностью связи с материалом: адсорбционно и осмотически связанную влагу.

Первая прочно удерживается на поверхности и в порах материала.
Осмотически связанная влага, называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами.
Адсорбционная влага требует для своего удаления больше энергии, чем влага
набухания.

Следует отметить, что не существует резкой границы между различными формами связи влаги с материалом. По мере исчезновения одной формы начинает превалировать другая.

По Лыкову А.В., все твердые влажные материалы можно разделить на 3 группы: капиллярно-пористые; коллоидные; капиллярно-пористые коллоидные тела. Хотя эта классификация и является условной, она имеет большое практическое значение, поскольку возникла при обобщении результатов исследования процесса сушки различных материалов.

В капиллярно-пористых материалах жидкость в основном связана капиллярными силами. При удалении влаги эти тела становятся хрупкими и в высушенном состоянии легко превращаются в порошок. Они слабо сжимаются. В качестве примера таких материалов можно привести силикагель, гипс, керамику, полимер­ные материалы типа винилхлоридных.

К коллоидным телам относятся материалы, в которых преобладает адсорбционно и осмотически связанная влага. При высушивании эти тела значительно сжимаются, но при этом сохраняют эластичность (желатина, растворы полимеров).

В капиллярно-пористых коллоидных телах жидкость имеет различные формы связи, характерные как для капиллярно-пористых, так и для коллоидных тел. По свойствам эти материалы занимают промежуточное положение: стенки их капилляров эластичны и при поглощении влаги набухают, а при высушивании такие тела сжимаются (глина, торф, некоторые полимерные материалы типа полибутилметакрилата и др.).

В последнее время предпринимаются попытки классифицировать высушиваемые влажные материалы по размерам пор. В основе такой классификации (Б.С. Сажин с сотр.) лежит критический радиус пор, уменьшению которого соответствуют усложнение внутрипористой структуры материала и увеличение диффузионного сопротивления движению влаги (в виде жидкости или пара) к поверхности частиц, а, следовательно, увеличение продолжительности сушки и усложнение форм связи влаги с материалом.

Все влажные материалы делят на 4 группы в порядке уменьшения критического диаметра пор, внутри которых различают подгруппы, учитывающие адгезионно-когезионные свойства материала (налипание на металлические поверхности, комкование и т.д.). К первой группе отнесены материалы с критическим диаметром пор более 100 нм. Продолжительность сушки материалов этой группы невелика (например, во взвешенном слое 0,5-3 с). Во вторую группу входят материалы с критическим диаметром пор от 100 до 6 нм. Продолжительность сушки материалов второй группы значительно больше, чем первой (во взвешенном состоянии - до 30 с). К третьей группе отнесены материалы с критическим диаметром пор от 6 до 2 нм. Продолжительность сушки таких материалов составляет минуты, и даже десятки минут. Материалы четвертой группы, крити­ческий диаметр пор которых менее 2 нм, характеризуются очень низкой скоростью сушки, при этом продолжительность сушки исчисляется часами.

Применительно к процессу сушки влагу материала классифицируют и в более широком смысле на свободную и связанную. Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности. Р_м=Р_н.

Р_м — давление насыщенных паров воды над ее свободной поверхностью.

Р_н — давление насыщения паров.

Под связанной понимают влагу, скорость испарения которой из материала ниже скорости испарения воды со свободной поверхности Р_м<Р_н.

Дата добавления: 2014-01-20