Лекция №08. Сушка лекция №1

5

.Сушка Лекция №1.

Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых влажных материалов.

Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров.

Сушка в промышленности осуществляется двумя основными способами:

а) нагреванием влажных материалов теплоносителем через твердую непроницаемую перегородку – так называемый процесс контактной сушки;

б) нагреванием влажных материалов путем непосредственного контакта с газовым теплоносителем (воздух, топочные газы) – газовая или воздушная сушка.

Схемы указанных способов сушки показаны на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принципиальные схемы сушки: 1 – газовая сушка; 2 – контактная сушка.

Некоторые понятия о равновесии в процессах сушки

Почти каждый твердый материал способен поглощать влагу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Направление течения процесса переноса влаги является наиболее существенным вопросом в практике сушки, так как от него зависит ее режим, т. е. условия, в которых влажный материал способен отдавать влагу окружающей среде.

Окружающий влажный материал среда содержит либо водяной пар, либо смесь водяного пара с газами. Обозначим давление водяного пара, когда только он является окружающей средой (контактная сушка), через Р₀, а парциальное давление его в смеси с газами окружающей среды (газовая сушка) Р_п.

Влаге, содержащейся в материале, соответствует определенное давление водяного пара Р_М, называемое далее давлением водяного пара во влажном высушиваемом материале.

Очевидно, что условием сушки являются неравенства

Р_М > Р₀ или Р_М > Р_п.

Давление водяного пара в высушиваемом материале Р_М зависит от влажности материала, температуры его и характера связи влаги с материалом.

С ростом влажности материала и температуры величина Р_М возрастает. С другой стороны, чем сильнее связь влаги с материалом, тем меньше, при прочих равных условиях, давление водяных паров во влажном материале.

Влажность материала, отвечающая условиям Р_М = Р₀ или Р_М = Р_п, соответствует достижению равновесия.

В последующем нами будет рассматриваться более детально только воздушная сушка.

Физические свойства влажного воздуха ().

Во всех сушильных аппаратах воздушной (газовой) сушки высушиваемые материалы контактируют с влажным воздухом или его смесью с топочными газами. При этом воздух отдает материалу тепло, требуемое для высушивания, и уносит испарившуюся влагу. Таким образом, воздух играет роль носителя тепла и влаги. Вот почему в первую очередь необходимо рассмотреть физические свойства влажного воздуха.

Влажный воздух считают механической смесью абсолютно сухого воздуха и смешанных с ним водяных паров. Такая смесь подчиняется закону Дальтона

, где B – полное давление влажного воздуха, p_в и p_п – парциальные давления компонентов.

Абсолютной влажностью воздуха ρ_п называют массу паров воды в 1 м³ его объема, иначе говоря, это плотность паров воды при их парциальном давлении во влажном воздухе, температура которого t_в

Предельная абсолютная влажность равна плотности сухого насыщенного пара ρ_н при той же температуре влажного воздуха t_в. Такой воздух называется насыщенным. Абсолютная влажность ненасыщенного воздуха всегда меньше абсолютной влажности насыщенного воздуха.

Относительной влажностью воздуха называют отношение выше названных величин, т.е.

.

Применяя к компонентам влажного воздуха уравнение состояния идеальных газов, для ненасыщенного пара можно записать

, где R_п – газовая постоянная паров воды.

Для насыщенного пара

. Откуда следует, что

Влагосодержанием воздуха называют массу влаги, приходящуюся на 1 кг его абсолютно сухой части.

Пусть имеется объем влажного воздуха V при температуре T_в. Пусть в этом воздухе содержится G_п кг пара и G_в кг абсолютно сухого воздуха. Запишем для каждого из компонентов воздуха уравнение состояния идеального газа

, , где R_в – газовая постоянная воздуха.

Из последних уравнений следует, что влагосодержание воздуха есть

, но , а p_в = B – p_п, где R – универсальная газовая постоянная. Тогда

, .

Относительной энтальпией влажного воздуха называют энтальпию такой массы влажного воздуха, в котором содержится 1 кг абсолютно сухого воздуха и, следовательно, x кг водяного пара. Поэтому

[], где с_в – теплоемкость абсолютно сухого воздуха, i_п – энтальпия водяного пара. При этом теплоемкость абсолютно сухого воздуха может быть принята равной 1 кДж/кг град, а теплоемкость пара 1,97 кДж/кг град. Энтальпия пара может быть рассчитана по формуле , где - теплота испарения воды при температуре 0 ⁰С, - теплота нагрева водяных паров от 0 до ⁰С

Условным удельным объемом влажного воздуха, V₀, называют такой объем влажного воздуха, в котором содержится 1 кг а.с.в.

Запишем уравнение Менделеева – Клайперона для одного из компонентов этого объема влажного воздуха, а именно, для абсолютно сухого воздуха

, откуда . С другой стороны, парциальное давление а. с.в. может быть выражено через влагосодержание по формуле

, , .

В результате получим

[].

Плотность влажного воздуха может быть найдена по формуле

, с другой стороны, после записи уравнений Менделеева – Клайперона для а. с.в. двух условий: нормальных и рабочих, получим

, где ρ_в.н.у.=М_в/22,4; а р_в = B – р_п. Тогда

.

Диаграмма Рамзина. Изображение процессов нагревания и охлаждения в I – x диаграмме. Точка росы. Температура точки росы.

Графический метод определения параметров влажного воздуха с помощью диаграммы Рамзина является менее трудоемким и более наглядным.

По оси абсцисс диаграммы отложены значения влагосодержания. По оси ординат – значения энтальпии. Диаграмма построена для давления 745 мм Hg. На диаграмме нанесены линии: I = const, x = const, t = const, φ = const.

Угол между осями составляет 135 ⁰, что обеспечивает наиболее комфортное использование поля диаграммы (линии постоянной относительной влажности в этом случае отстоят друг от друга в большей мере, нежели, если бы угол между осями составлял бы 90⁰).

Пусть известны начальные параметры воздуха (до нагревания): φ₀, t₀. Найдем точку пересечения соответствующих линий в поле диаграммы Рамзина (т. 0). Зная положение т. 0, определяем значения других параметров влажного воздуха: I₀, x₀ (см. рис. 2.1).

Пусть известна температура окончания процесса нагревания воздуха t₁. Так как при нагревании воздуха масса влаги в нем остается неизменной, то изменение параметров воздуха при этом будет соответствовать линии x = const от точки 0 до изотермы t₁. На пересечении линий постоянного влагосодержания и изотермы определяем положение точки 1 – окончания процесса нагревания. Зная положение т. 1, определяем значения других параметров воздуха: I₁, φ₁. Линия «0 – 1» определяет характер изменения параметров влажного воздуха в процессе его нагревания.

Аналогичным образом может быть рассмотрен процесс охлаждения воздуха (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1. Изображение процессов нагревания и охлаждения в диаграмме Рамзина: а) нагревание; б) охлаждение; в) определение точки росы и температуры точки росы.

Пусть известны параметры т. 0: φ₀, t₀. Требуется охладить воздух до состояния, при котором относительная влажность будет равна 100%. Проведем линию охлаждения от т. 2 до линии φ = 100% (см. рис. 2.1). Точка пересечения линии x = const с линией φ = 100% носит название точки росы. Изотерма, проходящая через точку росы, называется температурой точки росы, t_p.

Принципиальная схема простой сушильной установки. Обозначения. Относительная влажность материала. Условная теплоемкость материала.

На рис. 3.1 показана принципиальная схема простой сушильной установки.

Рис. 3.1. Принципиальная схема простой сушильной установки: CAп – сушильный аппарат; Kл – калорифер; B – вентилятор.

Сушильный агент (влажный воздух окружающей среды) параметров т. 0 (t₀,x₀,I₀,φ₀) входит в межтрубное пространство калорифера сушильной установки, где происходит нагревание его до температуры t₁. Нагрев воздуха осуществляется посредством конденсации водяного греющего пара, который поступает в трубное пространство калорифера. Параметры воздуха на выходе из калорифера характеризуются т. 1 (t₁,x₁,I₁,φ₁). Далее воздух направляется в сушильный аппарат, где идет процесс тепло и массообмена между сушильным агентом и высушиваемым материалом. Параметры влажного воздуха при этом на выходе из сушильного аппарата характеризуются т.2 (t₂,x₂,I₂,φ₂).

Влажный материал в большинстве случаев перемещается в сушильном аппарате в прямотоке с сушильным агентом. Относительная влажность материала на входе обозначается через . Относительная влажность материала на выходе из аппарата – .

Транспортировка сушильного агента осуществляется с помощью вентилятора, который устанавливается после сушильного аппарата, так, чтобы аппарат работал под некоторым разряжением.

Остальные обозначения:

L - расход а.с.в., [кг.а.с.в./с]; G – расход сухого материала, [кг.с.м./с]; G₁ – расход влажного материала на входе в сушильный аппарат; G₂ – расход высушенного материала на выходе из аппарата; W – поток влаги из влажного материала в сушильный агент; w₁ – влажность материала на входе в сушильный аппарат; w₂ – влажность материала на выходе из аппарата;

D_гр – расход греющего пара в калорифере; h – энтальпия греющего пара; i_к – энтальпия конденсата греющего пара; Q_с – мощность дополнительного нагревателя сушильного агента в сушильном аппарате; Q₀ – потери тепла в окружающую среду; Q_Т потери тепла с транспортом;

- условная теплоемкость высушиваемого материала (теплоемкость такой массы влажного материала, в котором содержится 1 кг сухого материала), [], формула для расчета

, где с_см – теплоемкость сухого материала.