Теоретические основы процесса сушки

Сушка – это процесс удаления влаги из материала путем ее испарения и отвода образовавшихся паров. Аппараты, в которых осуществляют сушку, называются сушилками. При сушке протекают два основных процесса: теплообмен и массообмен.

В простейшем виде процесс сушки осуществляют путем контакта нагретого до определенной температуры газа (воздух, топочные газы, инертный газ) с материалом (изделием), подлежащим сушке. Тепло газа идет на испарение влаги и он же уносит ее в виде пара.

По способу подвода тепла сушилки делятся на: конвективные (прямой контакт теплоносителя и материала; они наиболее распространены); контактные (передача тепла материалу через разделительную стенку) и специальные (терморадиационные, сублимационные, высокочастотные).

Механизм процесса конвективной сушки может быть представлен следующим образом. При контакте влажного материала с окружающей средой в следствие разности температур поверхности материала и среды происходит испарение воды и одновременно перенос массы паров воды в окружающую среду за счет разности над влажной поверхностью тела и в окружающей среде. В результате испарения воды с поверхности тела и отвода паров воды возникает градиент концентрации воды в материале, являющийся движущей силой внутреннего перемещения ее из глубинных слоев к поверхности испарения, где опять вода испаряется и уходит в окружающую среду и т.д.

Почти каждый твердый материал, находящийся в контакте с влажным воздухом, способен поглощать пары воды из окружающей среды или отдавать ее в среду.

Обозначим давление пара жидкости в материале и в окружающей среде соответственно через Р_м и Р. Величина разности Р_м и Р является движущей силой переноса влаги.

Р_м -Р > 0 – происходит десорбция паров Н₂О (сушка);

Р_м -Р < 0 – происходит сорбция паров Н₂О (увлажнение материала).

При достаточно длительном контакте влажного материала с газом при постоянных его параметрах (температуре – t, давлении – Р), когда тепловые и сорбционные процессы заканчиваются, между телом и окружающей средой устанавливается термическое и молекулярное равновесия:

t_м= t= const и Р_м=Р= const,

где, t_м и Р_м – температура и давление пара в материале.

Влажность материала при этом во всем объеме тела приобретает постоянное значение и называется равновесной влажностью (С_р= const).

Абсолютная влажность газа или его влагосодержание выражается в г/м³, кг/м³ (обозначается d, q).

Содержание пара в газе характеризуется также относительной влажностью:

,

где, Р – давление пара в окружающей среде; Р_н – давление насыщенного пара, которое зависит только от температуры.

Давление Р_н для воды при разных температурах можно рассчитать по формулам или взять из справочников.

Изменяя значение φ при постоянной температуре (t) можно найти соответствующее значение С_р материала и построить зависимость С_р=f(φ), называемую изотермой сорбции. Кривая имеет S-образный вид и делит поле диаграммы на две области: область сорбции и область десорбции, являющуюся составной частью области сушки.

Под кинетикой процесса сушки обычно понимают изменение средних по объему высушиваемого тела и температуры с течением времени. Пример такой зависимости приведен на рис. 1. Участок АВ – прогрев исходного материала до температуры мокрого термометра t_мт и небольшое уменьшение его влажности. Участок ВС – уменьшение влажности материала по линейному закону, а температура материала в большинстве случаев остается постоянной и равна t_мт. Участок СD – влажность уменьшается по кривой, приближаясь к равновесному значению С_р= const, температура материала быстро растет.

Теплообменные процессы при сушке связаны с передачей тепла материалу, подвергаемому сушке, на его нагрев, испарение удаляемой влаги, преодоление энергии влаги связи с материалом.

Массообменные и теплообменные процессы при сушке связаны между собой и могут быть представлены системой дифференциальных уравнений, описывающих соответственно массообменные и теплообменные процессы.

Отсутствие пока в полном объеме данных для решения этих уравнений при использовании в инженерных расчетах приводит к необходимости решать задачу альтернативно, т.е. рассматривать сушку либо как тепловой, либо как массообменный процесс.

Дата добавления: 2014-01-06