5. 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.

Влагосодержание - это есть отношение массы влаги W, содержащейся в теле, к массе абсолютно сухого тела :

(5.1)

В практике используется понятие влажность v, которая определяется как:

(5.2)

или

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.

5.1. Параметры влажного воздуха.

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

• 

• относительная и абсолютная влажность;

• влагосодержание;

• 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_cг – 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/м³). 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:

(5.4)

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:

(5.6)

Относительная влажность определяет влагоемкость сушильного агента (воздуха).

Влагосодержание х – это количество пара жидкости (в кг), приходящегося на 1кг абсолютно сухого газа:

(5.7)

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:

(5.14)

Здесь энтальпия водяного пара при , - удельная теплоемкость перегретого пара. Подставляя в (5.13) значения Н_П из (5.14) имеем:

(5.15)

Для системы воздух-водяной пар:

(5.16)

Плотность парогазовой смеси можно представить как сумму плотностей сухого газа и пара жидкости:

(5.17)

С учетом уравнения состояния идеального газа имеем:

(5.18)

С учетом значений и имеем:

(5.19)

Здесь - плотность влажного воздуха, P – общее давление влажного воздуха, парциальное давление водяного пара.

В процессе сушки воздух увлажняется и возрастает и охлаждается (снижается Т). Влияние Т оказывается больше и поэтому увеличивается.