Лекция 40 Сушка (часть 2)

40.7. Кинетика сушки

Кинетика сушки определяется изменением во времени средней влажности материала. Зависимость между влажностью материала ( ) и временем (τ) обычно определяется экспериментально и носит название кривой сушки (см. рис. 40.8).

Рисунок 40.8 – кривая сушки материала.

Кривую сушки получают при постоянной температуре и постоянных условиях контакта сушильного агента с материалом. В общем случае на кривой сушки выделяют три участка. Первый из них АВ, характеризующийся незначительным понижением влажности, соответствует прогреву материала. Далее следует участок ВС, характеризующийся линейным уменьшением влажности во времени. Этот участок отвечает периоду удаления свободной влаги, или периоду постоянной скорости сушки. Начиная с точки С, соответствующей первой критической влажности материала , протекает период падающей скорости сушки. В этом периоде уменьшение влажности материала выражается некоторой кривой СЕ, которая в общем случае состоит из двух участков различной кривизны ‑ СD и DЕ. Точка перегиба D соответствует второй критической влажности . В конце второго периода сушки влажность материала асимптотически приближается к равновесной влажности . Вид функции может отличаться от приведенной на рис. 40.8 в зависимости от диффузионной структуры материала и вида связи влаги с материалом. В частности, точка перегиба D во втором периоде, соответствующая , может быть выражена нечетко или совсем отсутствовать.

Рисунок 40.9 – Кривая скорости сушки.

Имея кривую сушки того или иного материала можно построить кривую скорости сушки. Скорость сушки определяет количество влаги, удаляемой с 1 м² материала в единицу времени . Скорость сушки может быть определена с помощью кривой сушки путем графического дифференцирования. Данные о скорости сушки строят в координатах скорость сушки – влажность материала (см. рис. 40.9).

Горизонтальный отрезок ВС отвечает периоду постоянной скорости (I период), а отрезок СЕ – периоду падающей скорости (II период). В первый период происходит интенсивное поверхностное испарение свободной влаги. В точке С (соответствующей первой критической влажности материала ) влажность на поверхности материала становится равной гигроскопической. Начиная с этого момента, в дальнейшем происходит испарение связанной влаги.

Точка D (вторая критическая влажность материала ) соответствует достижению равновесной влажности на поверхности материала, в то время как внутри материала влажность превышает равновесную. Начиная с этого момента и вплоть до установления равновесия, скорость сушки определяется скоростью внутренней диффузии влаги из глубины материала к его поверхности. Одновременно вследствие высыхания все меньшая поверхность материала остается доступной для испарения влаги, поэтому скорость сушки падает непропорционально уменьшению влажности материала. Для анализа процесса сушки помимо кривых сушки и кривых скорости сушки важно знать характер изменения температуры материала от его влажности . На рис. 40.10 представлена такая зависимость.

Рисунок 17.10 – Температурная кривая материала.

В период подогрева материала АВ его температура резко повышается и в точке В достигает постоянной величины, равной температуре мокрого термометра ( ). В первый период ВС все тепло, подводимое к материалу, затрачивается на интенсивное поверхностное испарение влаги, и температура материала остается постоянной ( ). Во второй период СЕ испарение влаги с поверхности материала замедляется и его температура начинает повышаться ( ). В момент, когда влажность материала достигает равновесного значения, температура материала достигает максимального значения и становится равной температуре окружающей среды.

Важное значение для анализа процесса сушки имеет также характер перемещения влаги внутри материала. При испарении влаги с поверхности материала внутри него возникает градиент влажности, за счет чего и происходит перемещение влаги из внутренних слоев материала к его поверхности. В первый период сушки градиент влажности внутри материала невелик, и скорость процесса обусловливается только скоростью испарения влаги с поверхности (внешняя диффузия). Во второй период, когда влажность на поверхности становится гигроскопической, определяющее значение для скорости процесса приобретает внутренняя диффузия. В первый период влага внутри материала перемещается в виде жидкости (капиллярная и осмотическая влага). С началом второго периода начинается неравномерная усадка материала. На его поверхности образуются сухие островки, поверхность испарения уменьшается. При этом капиллярная влага и некоторая часть адсорбционно связанной влаги перемещается внутри материала уже в виде пара. В дальнейшем поверхностный слой материала постепенно полностью высыхает, внешняя поверхность испарения становится все меньше геометрической поверхности тела и соответственно возрастает сопротивление внутренней диффузии влаги. К концу второго периода наиболее прочно связанная с материалом адсорбционная влага перемещается внутри его только в виде пара. Явление переноса влаги внутри материала носит название влагопроводности.

Удаление влаги из материала при сушке осуществляется следующим образом: влага из толщи влажного материала перемещается к поверхности раздела фаз за счет влагопроводности, далее влага от поверхности раздела фаз передается в ядро газового потока за счет конвективной диффузии. В общем случае это явление массопередачи описывается уравнением

, (40.35)

где  – влажность материала в любой момент времени в точке, отстоящей на расстоянии Z от поверхности;  – начальная влажность материала;  – равновесная влажность материала;  – диффузионный критерий Био;  – диффузионный критерий Фурье; δ – определяющий размер.

Предложены различные эмпирические уравнения, позволяющие с той или иной степенью точности рассчитать продолжительность сушки. Общий недостаток этих уравнений состоит в том, что они пригодны только для тех материалов и условий, для которых они получены. В связи с этим для расчета процесса сушки наиболее надежно использовать нормативы, разрабатываемые на основе статистических опытных данных для конкретных материалов и режимов сушки. Во многих случаях, учитывая сложность определения скорости и продолжительности процесса сушки, рабочий объем конвективных сушилок V_p находят, базируясь на средней опытной величине напряжения объема сушилки по влаге – A, кг/м³·с. Рабочий объем сушилки находят из простой зависимости:

. (40.36)

Для определения поверхности нагрева контактных сушилок применяют величину напряжения поверхности сушилки по влаге A′ (кг/м²·с). Значения А и A′ приводятся в справочной литературе.