4. Методика розрахунку

1. Вологість матеріалу виражається у відсотках від загальної маси або у відсотках від маси сухої речовини u^/:

де W – кількість вологи, що видаляється, кг/с;

G_п, G_к – початкова і кінцева маса висушуваного матеріалу, кг/с.

або

де u^/ - вологість матеріалу по абсолютній сухій речовині %

2. Кількість вологи, що підлягає видаленню в процесі сушки, при зміні вогкості матеріалу від u до u^/:

чи

Якщо вологість матеріалу дано у відсотках від маси сухої речовини и^/, то:

де G_сух – продуктивність сушарки, розрахована на абсолютно сухий матеріал, кг/с.

2. Визначення кількості тепла, що затрачається на сушку вологого матеріалу

Q=Q_нагр.+ Q_випар. +Q_втрат

Кількість теплоти, необхідна для нагрівання матеріалу, в кДж/кг випаровуваної вологи:

де С_m – питома теплоємність висушуваного матеріалу, кДж/кг⁰С.

Кількість теплоти, необхідна для нагрівання транспортних засобів (посуду) від t_{н тр} до t_ктр, в кДж/кг випаровуваної вологи:

де: G_тр - маса транспортного пристрою, кг/с.

Кількість теплоти, необхідна для видалення вологи з матеріалу, кДж/кг випаровуваної вологи:

де: C_в– питома теплоємність води, кДж/кг⁰С.

Кількість втрати тепла в оточуючу середовище, кДж/кг вологи,що випаровується:

де α_{повітря}– коефіцієнт тепловіддачі повітря від стінки до навколишнього середовища, кВт/м²·К

α_{повітря}=9,74+0,07(t_ст – t_{повітря})

F – температура ступеня сушильної камери, м²;

t_ст – температура стінки сушильної камери, ⁰С.

Для технічних розрахунків приймають втрати тепла в оточуюче середовище 6-10% від Q_нагр

2. Визначення внутрішнього теплового балансу сушарки:

Контрольні питання

1. Який технологічний процес називається сушкою?

2. Які види сушки розрізняють за способом підведення тепла і їх суть?

3. Що є рушійною силою процесу сушки?

4. Що таке рівноважна вологість матеріалу і від чого залежить ця величина?

5. Що таке критична вологість матеріалу?

Лабораторна робота № 16

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ КОНВЕКТИВНОЇ СУШКИ

Мета роботи:

1. Вивчення кінетики сушки.

2. Визначення необхідної кількості повітря і тепла

1. Основні положення

Сушкою називають процес видалення вологи з вологих матеріалів шляхом її випаровування. Поширеним способом проведення цього процесу в промислових умовах є конвективна сушка, тобто сушка в потоці нагрітого повітря.

При контакті вологого матеріалу з сухим, нагрітим повітрям починається випаровування вологи з поверхні матеріалу і дифузія пари, що утворюється, через прикордонний шар газу в оточуюче повітря. В матеріалі виникає градієнт концентрації вологи, і вона починає переміщатися з внутрішніх шарів до поверхні.

Поки вологість матеріалу велика (звичайно на початку процесу), волога, що дифундуює з глибини шарів до зовнішніх, повністю змочуватиме поверхню матеріалу. В цих умовах кількість вологи, що випаровується з одиниці поверхні матеріалу за одиницю часу, визначається швидкістю, з якою волога дифундує через прикордонний шар повітря, насиченого вологою. При постійності зовнішніх умов (температури повітря, його вологості, швидкості і напряму руху) швидкість сушки, тобто маса вологи, що випарувалася з одиниці маси матеріалу за одиницю часу, буде постійною. Тому цей період сушки називають періодом постійної швидкості або періодом зовнішньої дифузії (рис. 1, ділянка 1).

Рисунок 1 - Залежність швидкості сушки від вологості.

Оскільки в період постійної швидкості сушки матеріал покритий плівкою вологи, яка випаровується при температурі мокрого термометра, то температура висушуваного матеріалу в цей період буде постійною, приблизно рівною температурі мокрого термометра.

Коли вологість матеріалу зменшиться і волога, що підводиться до зовнішніх шарів, буде недостатньо для повного змочування поверхні, то спочатку на ній з'являться сухі ділянки («острівці»), а потім вся поверхня матеріалу виявиться сухою, і зона випаровування поглибитися всередину матеріалу. З моменту, коли кількість вологи, що підводиться до поверхні, стає меншою за ту, яка могла б випаруватися, швидкість сушки падатиме. Вологовміст матеріалу, при якому починається період падаючої швидкості, називають критичним. Сушку звичайно закінчують за досягнення деякої кінцевої вологості, що визначається вимогами технологічної практики. Конвективна сушка може продовжуватися доти, поки матеріал не досягає рівноважного стану з нагрітим повітрям, що є сушильним агентом.

В період падаючої швидкості перебіг процесу сушки обумовлюється дифузією вологи до поверхні випаровування, тобто внутрішньою дифузією, швидкість якої визначається структурою матеріалу і його температурою, але мало залежить від зовнішніх умов (рис.1, ділянки II, I і III).

Безпосередньо за моментом досягнення критичної вологості наступає період, коли скорочення змоченої поверхні (поява сухих ділянок) приводить до зменшення кількості вологи, що видаляється зі всієї геометричної поверхні висушуваного матеріалу, тобто до падіння загальної швидкості сушки, хоча швидкість випаровування вологи із змоченої частини поверхні не змінюється. Протягом цього періоду швидкість сушки пропорційна вмісту вологи в матеріалі (рис.1, ділянка II).

При подальшому зменшенні вологості вся зона випаровування переміщається вглиб матеріалу і починається період, коли швидкість сушки залежатиме тільки від швидкості, з якою волога дифундує до поверхні матеріалу (рис. 1, ділянка III). Для різних матеріалів вид кривої швидкості сушки в цьому періоді може бути різним. Він залежить від фізичної природи висушуваного матеріалу і від умов сушки.

В період падаючої швидкості сушки температура матеріалу стає вищою за температуру мокрого термометра і при досягненні матеріалом рівноважної вологості дорівнює температурі повітря.

При проектуванні сушильних установок, як і апаратів для інших технологічних операції, найважливішим питанням є розрахункове визначення часу проведення процесу.

Протягом періоду зовнішньої дифузії швидкість випаровування вологи з поверхні вологого матеріалу рівна швидкості, з якою волога дифундує через плівку насиченого повітря.

Тривалість періоду постійної швидкості сушки може бути визначений за рівнянням:

де К – константа швидкості сушки;

u_n^/, u_k^/, – початкова і критична вологість матеріалу, вважаючи на абсолютно суху речовину.

Протягом періоду падаючої швидкості сушки волога усередині твердого матеріалу переміщається як у вигляді рідини, так і у вигляді пари під дією капілярних сил і теплової дії. Швидкість внутрішньої дифузії залежить від структури матеріалу і надзвичайно великої кількості факторів, що визначають швидкість процесу сушки в період падаючої швидкості, математичний опис якого вельми складний.

Тривалість періоду падаючої швидкості сушки в більшості випадків можна знайти тільки за експериментальними даними.

При інженерних розрахунках допустимо припущення, що залежність між швидкістю сушки і вологістю матеріалу протягом всього періоду падаючої швидкості сушки (від критичної до рівноважної вологості) характеризується прямолінійною залежністю (рис. 1). В цьому випадку тривалість періоду падаючої швидкості сушки можна визначити за наближеним рівнянням:

де і- рівноважна і кінцева вологість матеріалу, вважаючи на абсолютно суху речовину.