Лекция СУШКА.

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

Часто тепловой сушке предшествуют механические способы удаления влаги (отжим, отстаивание, фильтрование, центрифугирование).

Во всех случаях при сушке в виде паров удаляется легколетучий компонент (вода, органический растворитель, и.т.д.)

По физической сущности сушка является процессом совместного тепло, массопереноса и сводится к перемещению влаги под воздействием теплоты из глубины высушиваемого материала к его поверхности и последующему ее испарению. В процессе сушки влажное тело стремится к состоянию равновесия с окружающей средой, поэтому его температура и влагосодержание в общем случае является функцией времени и координат.

В практике используется понятие влажность v, которая определяется как:

(5.2)

Если то тогда

По способу подвода теплоты различают:

Конвективную сушку, проводимую путем непосредственного контакта материала и сушильного агента;

Контактную (кондуктивную) сушку, тепло передается к материалу через разделяющую их стенку;

Радиационную сушку – путем передачи теплоты инфракрасным излучением;

Сублимационную сушку, при которой влага удаляется из материала в замороженном состоянии (обычно в вакууме);

Диэлектрическую сушку, при которой материал высушивается в поле токов высокой частоты.

При любом способе сушки материал находится в контакте с влажным воздухом. В большинстве случаев из материала удаляется вода, поэтому обычно рассматривают систему сухой воздух – пары воды.

Параметры влажного воздуха.

Смесь сухого воздуха с парами воды является влажным воздухом. Параметры влажного воздуха:

Относительная и абсолютная влажность;

Теплоемкость и энтальпия.

Влажный воздух, при небольших P и Т, можно считать бинарной смесью идеальных газов – сухого воздуха и водяного пара. Тогда по закону Дальтона можно записать:

(5.3)

где P – давление парогазовой смеси, p c г – парциальное давление сухого воздуха, – парциальное давление водяного пара.

Свободный или перегретый пар – при данных Т и Р он не конденсируется. Максимально возможное содержание паров в газе, выше которого наблюдается конденсация, соответствует условиям насыщения при определенной Т и парциальным давлении .

Различают абсолютную, относительную влажности и влагосодержание воздуха.

Абсолютная влажность – это масса водяного пара в единице объема влажного воздуха (кг/м 3) . Понятие абсолютной влажности совпадает с понятием плотности пара при температуре Т и парциальном давлении .

Относительная влажность - это отношение количества паров воды в воздухе к максимально возможному, при данных условиях, или отношение плотности пара при данных условиях к плотности насыщенного пара при тех же условиях:

По уравнению состояния идеального газа Менделеева – Клайперона для пара в свободном и насыщенном состоянии имеем:

и (5.5)

Здесь М п – масса одного моля пара в кг, R – газовая постоянная.

С учетом (5.5) уравнение (5.4) принимает вид:

Относительная влажность определяет влагоемкость сушильного агента (воздуха).

Здесь G П – масса (массовый расход) пара, L – масса (массовый расход) абсолютно сухого газа. Выразим величины G П и L через уравнение состояния идеального газа:

,

Тогда соотношение (5.7) преобразуется к виду:

(5.8)

Масса 1 моля сухого воздуха в кг.

Вводя и учитывая получим:

(5.9)

Для системы воздух – водяной пар , . Тогда имеем:

(5.10)

Итак, установлена связь между влагосодержанием х и относительной влажностью φ воздуха.

Удельная теплоемкость влажного газа принимается аддитивной величиной теплоемкостей сухого газа и пара.

Удельная теплоемкость влажного газа c , отнесенная к 1 кг сухого газа (воздуха):

(5.11)

где удельная теплоемкость сухого газа, удельная теплоемкость пара.

Удельная теплоемкость , отнесенная к 1 кг парогазовой смеси:

(5.12)

При расчетах обычно используют с .

Удельная энтальпия влажного воздуха Н относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха Т как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха и водяного пара :

(5.13)

Удельную энтальпию перегретого пара определяют по следующему выражению.

Сушка – это процесс удаления влаги из материалов.

Влагу можно удалять механическим способом (отжимом, фильтрованием, центрифугированием) или тепловым , т. е. путем испарения влаги и отвода образующихся паров.

По своей физической сущности сушка является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена. Удаление влаги при сушке сводится к перемещению теплоты и влаги внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода теплоты к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

– конвективная сушка –непосредственное соприкосновение высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);

– контактная сушка –передача теплоты от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

– радиационная сушка –передача теплоты инфракрасными лучами;

– диэлектрическая сушка – нагревание в поле токов высокой частоты;

– сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме.

Форма связи влаги в материале

Механизм процесса сушки в значительной степени определяется формой связи влаги с продуктом: чем прочнее эта связь, тем труднее протекает процесс сушки. Процесс удаления влаги из продукта сопровождается нарушением ее связи с продуктом, на что затрачивается определенная энергия.

Все формы связи влаги с продуктом делятся на три большие группы: химическая связь, физико-химическая связь, физико-механическая связь. В процессе сушки пищевых продуктов удаляется, как правило, физико-химически и физико-механически связанная влага.

Химически связанная вода удерживается наиболее прочно и при нагревании материала до 120…150 °С не удаляется. Химически связанная влага наиболее прочно соединена с продуктом и может быть удаляется только при нагревании материала до высоких температур или в результате проведения химической реакции. Эта влага не может быть удалена из продукта при сушке.

Физико-механическая связанная влага – это жидкость, находящаяся в капиллярах, и жидкость смачивания.

Влага в капиллярах подразделяется на влагу макрокапилляров и микрокапилляров . Макрокапилляры заполняются влагой при непосредственном соприкосновении ее с материалом. В микрокапилляры влага поступает как при непосредственном соприкосновении, так и в результате поглощения ее из окружающей среды.

Физико-химическая связь объединяет два вида влаги: адсорбционно и осмотически связанную влагу. Адсорбционная влага прочно удерживается на поверхности и в порах тела. Осмотически связанная влага , называемая также влагой набухания, находится внутри клеток материала и удерживается осмотическими силами. Адсорбционная влага требует для своего удаления значительно большей затраты энергии, чем влага набухания.

Основные параметры влажного воздуха

При конвективной сушке теплоноситель (сушильный агент) передает продукту теплоту и уносит влагу, испаряющуюся из продукта. Таким образом, сушильный агент играет роль тепло- и влагоносителя. Состояние влажного воздуха характеризуется следующими параметрами: барометрическое давление и парциальное давление пара, абсолютная и относительная влажность, влагосодержание, плотность, удельный объем, температура и энтальпия. Зная три параметра влажного воздуха, можно найти все остальные.

Абсолютной важностью воздуха называется масса водяного пара, находящегося в 1 м 3 влажного воздуха (кг/м 3).

Относительной влажностью воздуха , т.е. степенью насыщения воздуха  , называется отношение абсолютной влажности к максимально возможной массе водяного пара (
), которая может содержаться в 1 м 3 влажного воздуха при тех же условиях (температура и барометрическое давление),

, т. е.
100. (1)

Масса водяного пара, кг, содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха:

, (2)

Энтальпия I влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха t °С как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха
и водяного пара
(Дж/кг сухого воздуха):

, (3)

где с с.в – средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха, Дж/(кгК); i n – энтальпия водяного пара, кДж/кг.

I  d -диаграмма влажного воздуха. Основные свойства влажного воздуха можно определять при помощи I  x -диаграммы, впервые разработанной Л.К. Рамзиным в 1918 г. Диаграмма I –х (рис. 1) построена для постоянного давления Р = 745мм рт. ст. (около 99 кН/м 2).

На вертикальной оси ординат отложена в определенном масштабе энтальпия I , а на оси абсцисс – влагосодержание d . Ось абсцисс расположена под углом 135 к оси ординат (для увеличения рабочей части поля диаграммы и удобства разворота кривых  = const).

На диаграмме нанесены линии:

постоянного влагосодержания (d = соnst) – вертикальные прямые, параллельные оси ординат;

постоянной энтальпии (I = const) – прямые, параллельные оси абсцисс, т. е. идущие под углом 135° к горизонту;

постоянных температур, или изотермы (t = const);

постоянной относительной влажности ( = const);

парциальных давлений водяного пара р п во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы.

Рис. 1. I –d- диаграмма

В атмосферном воздухе, а следовательно, и в воздухе помещений всегда содержится определенное количество водяного пара.

Количество влаги в граммах, содержащееся в 1 м 3 воздуха, называется объемной концентрацией пара или абсолютной влажностью f в г/м 3 . Водяной пар, входящий в состав паровоздушной смеси занимает тот же объем v, что и сама смесь; температура Т пара и смеси одинакова.

Энергетический уровень молекул водяного пара, содержащихся во влажном воздухе, выражается парциальным давлением е

где М е - масса водяного пара, кг; μ м - молекулярный вес, кг/моль: R - универсальная газовая постоянная, кГ-м/град·моль, или мм рт. ст·м 3 /град·моль.

Физическая размерность парциального давления зависит от того, в каких единицах выражены давление и объем, входящие в универсальную газовую постоянную.

Если давление измеряется в кГ/м 2 , то парциальное давление имеет такую же размерность; при измерении давления в мм рт. ст. парциальное давление выражается в этих же единицах.

В строительной теплофизике для парциального давления водяного пара обычно принимается размерность, выраженная в мм рт. ст.

Величина парциального давления и разность этих давлений в смежных сечениях рассматриваемой материальной системы используются для расчетов диффузии водяного пара внутри ограждающих конструкций. Величина парциального давления дает представление о количестве и кинетической энергии водяного пара, содержащегося в воздухе; количество это выражается в единицах, измеряющих давление или энергию пара.

Сумма парциальных давлений пара и воздуха равна полному давлению паровоздушной смеси

Парциальное давление водяного пара, как и абсолютная влажность паровоздушной смеси, не может возрастать беспредельно в атмосферном воздухе с определенной температурой и барометрическим давлением.

Предельное значение парциального давления Е в мм рт. ст. соответствует полному насыщению воздуха водяным паром F макс в г/м 3 и возникновению его конденсации, происходящей обычно на материальных поверхностях, граничащих с влажным воздухом или на поверхности пылинок и аэрозолей, содержащихся в нем во взвешенном состоянии.

Конденсация на поверхности ограждающих конструкций обычно вызывает нежелательное увлажнение этих конструкций; конденсация на поверхности аэрозолей, взвешенных во влажном воздухе, связана с легким образованием туманов в атмосфере, загрязненной промышленными выбросами, копотью и пылью. Абсолютные значения величин Е в мм рт. ст. и F в г/м 3 близки между собой при обычных температурах воздуха отапливаемых помещений, а при t=16° С они равны друг другу.

С повышением температуры воздуха величины Е и F растут. При постепенном понижении температуры влажного воздуха величины е и f, имевшие место в ненасыщенном воздухе с начальной более высокой температурой, достигают предельных максимальных значений, поскольку эти значения уменьшаются с понижением температуры. Температура, при которой воздух достигает полного насыщения, называется температурой точки росы или просто точкой росы.

Значения величин Е для влажного воздуха с различной температурой (при барометрическом давлении 755 мм рт. ст.) указаны в

При отрицательных температурах следует иметь в виду, что давление насыщенного водяного пара над льдом меньше давления над переохлажденной водой. Это видно из рис. VI.3, на котором представлена зависимость парциального давления насыщенного водяного пара Е от температуры.

В точке О, которая называется тройной, пересекаются границы трех фаз: льда, воды и пара. Если продолжить пунктиром кривую линию, отделяющую жидкую фазу от газообразной (воду от пара), она пройдет выше границы твердой и газообразной фаз (пара и льда), что свидетельствует о более высоких значениях парциальных давлений насыщенного водяного пара над переохлажденной водой.

Степень насыщения влажного воздуха водяным паром выражается относительным парциальным давлением или относительной влажностью.

Относительная влажность ср является отношением парциального давления водяного пара е в рассматриваемой воздушной среде к максимальному значению этого давления Е, возможному при данной температуре. В физическом отношении величина φ безразмерна и ее значения могут изменяться от 0 до 1; в строительной практике величину относительной влажности обычно выражают в процентах:

Относительная влажность имеет большое значение как в гигиеническом, так и в техническом отношении. Величина φ связана с интенсивностью испарения влаги, в частности, с поверхности кожи человека. Нормальной для постоянного пребывания человека считается относительная влажность в пределах от 30 до 60%. Величина φ характеризует также процесс сорбции, т. е. поглощения влаги пористыми гигроскопическими материалами, находящимися в контакте с воздушной влажной средой.

Наконец, величина φ определяет процесс конденсации влаги как на пылинках и других взвешенных частицах, содержащихся в воздушной среде, так и на поверхности ограждающих конструкций. Если воздух с определенным влагосодержанием подвергнуть нагреванию, то относительная влажность нагретого воздуха понизится, поскольку величина парциального давления водяного пара е останется постоянной, а максимальное его значение Е увеличится с повышением температуры, см. формулу (VI.3).

Наоборот, при охлаждении воздуха с неизменным влагосодержанием, его относительная влажность будет увеличиваться из-за уменьшения величины Е.

При некоторой температуре максимальное значение парциального давления Е окажется равным величине е, имеющейся в воздухе, а относительная влажность φ - равной 100%, что соответствуе точке росы. При дальнейшем понижении температуры парциальное давление остается постоянным (максимальным), а излишнее количество влаги конденсируется, т. е. переходит в жидкое состояние. Таким образом, процессы нагревания и охлаждения воздуха связаны с изменениями его температуры, относительной влажности, а следовательно, и первоначального объема.

За основные величины при резких изменениях температуры влажного воздуха (например, при расчетах вентиляционных процессов) часто принимают его влагосодержание и теплосодержание (энтальпию).

где 18 и 29 - молекулярные веса водяного пара и сухого воздуха Р=Р е +Р в - общее давление влажного воздуха.

При постоянном общем давлении влажного воздуха (например, Р=1) его влагосодержание определяется только парциальным давлением водяного пара

Плотность влажного воздуха уменьшается с увеличением парциального давления по линейному закону.

Существенное различие молекулярных весов водяного пара и сухого воздуха приводит к повышению абсолютной влажности и парциального давления в наиболее теплых зонах (обычно в верхней зоне) помещений, в соответствии с закономерностями, .

где с р - удельная теплоемкость влажного воздуха, равная 0,24+0,47d (0,24 - теплоемкость сухого воздуха; 0,47 - теплоемкость водяного пара); t - температура,°С; 595 - удельная теплота испарения при 0°С, ккал/кг; d - влагосодержание влажного воздуха.

Изменение всех параметров влажного воздуха (например, при колебаниях его температуры) можно установить по I - d диаграмме, основными величинами которой являются теплосодержание I и влагосодержание d воздуха при среднем значении барометрического давления.

На I - d диаграмме теплосодержание I отложено по оси ординат, а проекции влагосодержания d - по оси абсцисс; на эту ось спроектированы истинные значения влагосодержания с наклонной оси, расположенной под углом в 135° к оси ординат. Тупой угол принят в целях более четкого построения на диаграмме кривых влажности воздуха (рис. VI.4).

Линии одинакового теплосодержания (I=const) располагаются на диаграмме наклонно, а одинакового влагосодержания (d = const) - вертикально.

Кривая полного насыщения воздуха влагой φ=1 делит диаграмму на верхнюю часть, в которой воздух неполностью насыщен, и нижнюю, где воздух полностью насыщен влагой и могут происходить процессы конденсации.

В нижней части диаграммы расположена построенная в обычной сетке координат по формуле (VI.4) линия p e =f(d) роста парциальных давлений водяного пара, выражаемых в мм рт. ст.

Диаграммы теплосодержания и влагосодержания широко используются в отопительно-вентиляционной практике при расчете процессов нагревания и охлаждения воздуха, а также в сушильной технике. С помощью I - d диаграмм можно установить все необходимые параметры влажного воздуха (теплосодержание, влагосодержание, температуру, точку росы, относительную влажность, парциальное давление), если известны только два из этих параметров.

Примечания

1. Это давление иногда называют упругостью водяного пара.

Как известно, сухой воздух (СВ) состоит на 78% из азота, на 21% из кислорода и около 1% составляют диоксид углерода, инертные и другие газы. Если в воздухе имеются , то такой воздух называется влажным воздухом (ВВ). Учитывая, что при вентиляции помещений состав сухой части воздуха практически не изменяется, а может изменяться только количество влаги, в вентиляции принято рассматривать ВВ как бинарную смесь, состоящую только из двух компонентов: СВ и водяные пары (ВП). Хотя к этой смеси применимы все газовые законы, однако при вентиляции с достаточной точностью можно считать, что воздух практически все время находится под атмосферным давлении, так как давления вентиляторов достаточно малы по сравнению с барометрическим давлением . Нормальное атмосферное давление составляет 101,3 кПа, а давления, развиваемые вентиляторами, составляют обычно не более 2 кПа. Поэтому нагрев и воздуха в вентиляции происходят при постоянном давлении.

Из термодинамических параметров ВВ, которыми оперируют в курсе вентиляции, можно выделить следующие :

1. плотность;
2. теплоемкость;
3. температура;
4. влагосодержание;
5. парциальное давление водяного пара;
6. относительная влажность;
7. температура точки росы;
8. энтальпия (теплосодержание);
9. температура по мокрому термометру.

Термодинамические параметры определяют состояние ВВ и определенным образом связаны друг с другом. Особыми, не термодинамическим параметром, являются подвижность, то есть скорость воздуха, и концентрация вещества (кроме влаги). Они никак не связаны с остальными термодинамическими параметрами и могут быть любыми независимо от них.

Под воздействием различных факторов может изменять свои параметры. Если воздух, заключенный в некотором объеме (например, помещении), находится в контакте с горячими поверхностями, он нагревается , то есть повышается его температура. При этом нагреву подвергаются непосредственно те слои, которые граничат с горячими поверхностями. Из-за нагрева изменяется , и это приводит к возникновению конвективных течений : происходит процесс турбулентного обмена. За счет наличия турбулентного перемешивания воздуха в процессе вихреобразования воспринятая пограничными слоями постепенно передается более удаленным слоям, в результате чего весь объем воздуха както повышает свою температуру.

Из рассмотренного примера ясно, что слои близкие к горячим поверхностям, будут иметь температуру более высокую, чем удаленные. Иначе говоря, температура по объему не одинакова (и иногда различается весьма значительно). Поэтому температура, как параметр воздуха, в каждой точке будет иметь свое индивидуальное, локальное значение. Однако характер распределения локальных температур по объему помещения предсказать крайне трудно, поэтому в большинстве ситуаций приходится говорить о неком среднем значении того или иного параметра воздуха. Среднее значение температуры выводится из предположения, что воспринятое тепло окажется равномерно распределено по объему воздуха, и температура воздуха в каждой точке пространства будет одинакова.

Более менее изучен вопрос о распределении температуры по высоте помещения, однако даже в этом вопросе картина распределения может сильно изменяться под действием отдельных факторов : струйных течений в помещении, наличия экранирующих поверхностей строительных конструкций и оборудования, температуры и размеров тепловых источников.

Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром. Фактически атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяных паров, т.е. является влажным.

Водяной пар, содержащийся в воздухе, обычно находится в разрежённом состоянии и подчиняется законам для идеального газа, что позволяет применять эти законы и для влажного воздуха.

Состояние пара в воздухе (перегретый или насыщенный ) определяется величиной его парциального давления p , которое зависит от общего давления влажного воздуха p и парциального давления сухого воздуха p :

Насыщенный воздух – воздух с максимальным содержанием водяного пара при данной температуре.

Абсолютная влажность воздуха – масса водяного пара, содержащегося

в 1 м влажного воздуха (плотность пара) при его парциальном давлении и температуре влажного воздуха:

Относительная влажность воздуха – отношение действительной абсолютной влажности воздуха к абсолютной влажности насыщенного воздуха при той же температуре:

При постоянной температуре давление воздуха изменяется пропорционально его плотности (закон Бойля – Мариотта), поэтому относительная влажность воздуха может быть определена также и по уравнению:

где p – давление насыщения воздуха при данной температуре;

p – парциальное давление пара при данной температуре:

Для сухого воздуха = 0, для насыщенного – = 100%.

Точка росы – температура t , при которой давление пара p становится равным давлению насыщения p . При охлаждении воздуха ниже точки росы водяные пары конденсируются.

воздуха (11.5)

Используя уравнение состояния идеального газа для компонентов влажного воздуха (пара и сухого воздуха), зависимости (11.2), (11.3) и (11.5), а также молекулярные массы воздуха ( = 28,97) и пара ( = 18,016), получают расчётную формулу:

воздуха (11.6)

Для случая, когда влажный воздух находится при атмосферном давлении,: p=B .

Теплоёмкость влажного воздуха при постоянном давлении определяется как сумма теплоёмкостей 1 кг сухого воздуха и d , кг водяного пара:

(11.7)

В расчётах можно принять:

Энтальпия влажного воздуха при температуре t определяется как сумма энтальпий 1 кг сухого воздуха и d , кг водяного пара:

Здесь r – скрытая теплота парообразования, равная ~2500 кДж / кг . Таким образом, расчётная зависимость для определения величины энтальпии влажного воздуха принимает вид:

(11.9)

Примечание: величина I относится к 1 кг сухого воздуха или к (1+d ) кг влажного воздуха.

В технических расчётах для определения параметров влажного воздуха обычно используется I–d диаграмма влажного воздуха, предложенная в 1918 году профессором Л.К. Рамзиным.

В I–d диаграмме (см. рис. 11.2) графически связаны основные параметры, определяющие тепловлажностное состояние воздуха: температура t , относи-тельная влажность воздуха , влагосодержание d , энтальпия I , парциальное давление пара P , содержащегося в паровоздушной смеси. Зная два каких-либо параметра, можно найти остальные на пересечении соответствующих

линий I – d -диаграммы.

2. Схема лабораторной установки (прибора)

Относительную влажность воздуха в лабораторной работе определяют с помощью психрометра типа: «Гигрометр психрометрический ВИТ-1».

Психрометр (рис. 11.1) состоит из двух одинаковых термометров:

«сухого» – 1 и «смоченного» – 2 . Смачивание шарика термометра 2 осуществляется с помощью батистового фитиля 3, опущенного в сосуд 4 с водой.

2 1

3 t

4t и влажностью воздуха φ для данного прибора установлена экспериментальным путем. По результатам экспериментов составлена специальная психрометрическая таблица (паспорт), помещённая на лицевой панели лабораторного психрометра.

На интенсивность испарения существенное влияние оказывает скорость обтекания батистового фитиля воздухом, что вносит погрешность в показания обычного психрометра. Эта погрешность учитывается в расчётах введением поправок в соответствии с паспортом прибора.

Примечание: от рассмотренного недостатка свободен психрометр Августа , в котором оба термометра (сухой и смоченный) обдуваются с постоянной скоростью потоком воздуха, создаваемым вентилятором с пружинным двигателем.