4.2.2. Тепло- и влагообмен между высушиваемым материалом и средой

Это один из определяющих явлений процесса сушки. Количественные характеристики этих явлений – коэффициенты теплообмена и влагообмена.

Сушка начинается с подвода теплоты высушиваемому материалу сушильным агентом. Интенсивность конвективного теплообмена на границе между сушильным агентом и материалом определяется уравнением

. (4.1)

где q – плотность теплового потока (количество теплоты, передаваемое в единицу времени к поверхности площадью 1 м²), Вт/м²;

 – коэффициент теплообмена между сушильным агентом и поверхностью материала, Вт/(м²  К);

t_c, t_n – температуры сушильного агента и поверхности материала, С.

Сушка завершается удалением влаги с поверхности материала и поглощением ее сушильным агентом. Интенсивность влагообмена на границе между материалом и сушильным агентом определяется уравнением

(4.2)

Здесь q_m – плотность потока влаги (количество влаги, удаляемое в единицу времени с поверхности площадью 1 м²), кг влаги/(с  м²); _m – коэффициент влагообмена между поверхностью материала и сушильным агентом, отнесенный к разности влагосодержаний , м/с; – влагосодержание поверхности материала, кг влаги/(кг с. м); – устойчивое влагосодержание, соответствующее состоянию сушильного агента, кг влаги/(кг с. м); – плотность абсолютно сухого материала, кг с. м/м³ (применительно к древесине может быть заменена базисной плотностью ).

Коэффициент теплообмена  – величина, характеризующая количество теплоты, передаваемое сушильным агентом единице поверхности материала в единицу времени при разности температуры между средой и поверхностью в 1 С (1 К).

Коэффициент теплообмена при сушке в основном зависит от скорости движения агента сушки, его температуры t_c и размера материала (штабеля) l в направлении движения агента сушки, т.е.  = f( , t_c, l).

Значения коэффициента  определяют по номограмме (рис. 4.1). Из номограммы видно, что с повышением скорости движения агента сушки и с понижением его температуры коэффициент теплообмена  увеличивается; для короткого (по ходу движения агента сушки) образца он больше, чем длинного. С увеличением длины это влияние нивелируется.

Коэффициент влагообмена _m – количество влаги удаляемое в единицу времени с поверхности площадью 1 м² при разности объемного влагосодержания в 1 кг влаги/м³ на поверхности материала.

Основными факторами, влияющими на величину коэффициента влагообмена _m древесины, являются температура t_c (и, следовательно, древесины), скорость движения и степень насыщенности  агента сушки, т.е. _m = f( , t_c, ).

С увеличением коэффициентов  и _m продолжительность сушки  уменьшается.

Рис. 4.1. Обобщенная номограмма коэффициентов теплообмена при сушке древесины [4]

Значения коэффициента _m определяют по номограмме (рис.4.2)

Рис. 4.2. Номограмма средних значений коэффициента влагообмена при сушке древесины [4]

4.2.3. Перенос теплоты внутри древесины

Древесина представляет собой многофазную систему (твердый скелет, состоящий из древесинного вещества, жидкая фаза – свободная и связанная вода, пар и воздух, а в замороженном состоянии твердая фаза). Теплота внутри древесины в основном передается теплопроводностью по всем фазам, перенос конвекцией и терморадиацией незначителен.

Перенос теплоты внутри древесины, как и внутри любого другого материала, характеризуется коэффициентами теплопроводности  и температуропроводности а. Эти коэффициенты связаны соотношением а = /(с) .

Вследствие фазовой и структурной неоднородности древесины ее теплопроводность зависит от влагосодержания, температуры, плотности и направления потока теплоты относительно волокон древесины. От этих же факторов зависит коэффициент температуропроводности а. Величина удельной теплоемкости определяется температурой и влагосодержанием. Удельная теплоемкость является термодинамической характеристикой, а не характеристикой переноса теплоты. Это связующее звено между  и а.

Интенсивность переноса одномерного потока теплоты внутри материала определяется уравнением

, (4.3)

где – градиент температуры в направлении одной из осей координат, например х, С/м.

В многомерном теле интенсивность переноса теплоты определяется уравнением

, (4.4)

где – градиент температуры по направлению нормали к изотермной поверхности, С/м.

Знак минус в уравнениях (4.3) и (4.4) показывают, что направление градиента температуры (в сторону повышения температуры) противоположно направлению потока теплоты.