Диаграмма состояния влажного воздуха.

Лекция 14

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.

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_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/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.

Конвективные сушилки.

Камерные сушилки.

Камерные сушилки отличаются простотой конструкции, периодичностью, большой затратой ручного труда загрузку и разгрузку. Они применяются для сушки небольших количеств материала, при достаточно большой продолжительности процесса.

Рис.5.7. Камерная сушилка: 1 – калориферы, 2 – полки,

3 – высушиваемый материал.

Туннельные сушилки.

Эти аппараты непрерывного действия – вагонетки ходят по кругу. Они применяются для сушки большого количества штучных материалов. Недостаток – неравномерность сушки.

Рис.5.8. Туннельная сушилка: 1 – вагонетки, 2 – рельсы,

3 – калорифер, 4 – вентилятор.

Барабанная сушилка.

Аппараты непрерывного действия, применяются для сушки кусковых, зернистых и сыпучих материалов. Угол наклона барабана 2 – 7^о, число оборотов барабана 5 – 8 об/мин. Реализуется прямоток фаз. Недостаток – сложность конструкции.

Рис.5.10. Барабанная сушилка: 1 – топка, 2 – барабан, 3 – привод,

4 – разгрузочная камера, 5 – циклон, 6 – вентилятор, 7 – насадок.

В промышленностях широко применяются также конвективные сушилки со взвешенным слоем материала, распылительные сушилки с пневмотранспортом материала.

Контактные сушилки.

При контактной сушилке теплота передается материалу в основном теплопроводностью от нагретой поверхности. В качестве источника теплоты в большинстве случаев используют водяной пар, высококипящие органические теплоносители и горячую воду (выше 100^о ).

Вакуум – сушильные шкафы.

Аппараты периодического действия. Они применяются для сушки легкоокисляющихся, взрывоопасных и выделяющих вредные или ценные пары веществ. Недостаток – аппараты малопроизводительные.

Рис.5.11. Вакуум – сушильный шкаф: 1 – камера, 2 – полки,

3 – высушиваемый материал, 4 – конденсатор.

Вальцовые сушилки.

Получили широкое распространение одно - и двух - вальцовые сушилки.

Рис.5.12. Вальцовые сушилки: а – одновальцовая, б – двухвальцовая.

Пустотелые вальцы изнутри обогреваются паром. Продолжительность сушки регулируется частотой вращения вальцов.

Лекция 14

СУШКА.

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

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.

Параметры влажного воздуха.

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

- относительная и абсолютная влажность;

- влагосодержание;

- теплоемкость и энтальпия.

(5.3)

Различают абсолютную, относительную влажности и влагосодержание воздуха.

(5.4)

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)

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.

(5.13)

Удельную энтальпию перегретого пара определяют по следующему выражению:

(5.14)

(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)

Диаграмма состояния влажного воздуха.

Диаграмма энтальпия Н - влагосодержание воздуха х представлена нарис.5.1. Эту диаграмму впервые разработал Л.К. Рамзин.

Диаграмма построена для постоянного давления Р=101.28 кПа, но можно использовать без большой ошибки при характерным для конвективных сушилок.

Для определения, параметров влажного воздуха, изменяющихся в процессе сушки, может быть использована диаграмма Рамзина, на которой в координатах энтальпия Н – влагосодержание х нанесены линии постоянной относительной влажности , изотермы и линии зависимости парциального давления водяного пара от влагосодержания воздуха.

Диаграмма имеет угол между осями координат, по оси ординат отложены Н, о оси абсцисс – влагосодержание х, которые для удобства пользования диаграммой, спроектированы на вспомогательную ось, перпендикулярную оси ординат.

На диаграмме нанесены:

- линии х=const (вертикальные прямые, параллельные оси ординат);

- линии H=const (прямые, параллельные оси абсцисс, то есть идущие под углом к горизонту);

- линии постоянных Т или изотермы; по уравнению (5.16);

- линии ; начало при Т=-273⁰С;

- линии парциальных давлений водяного пара во влажном воздухе, значения которых отложены на правой оси ординат диаграммы.

Линия соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Площадь над ней – рабочая часть диаграмы, отвечает ненасышенному влажному воздуху; под ней – область пересыщения воздуха влажным воздухом.

Линия парциального давления водяного пара строится по (5.10) при

(5.20)

На диаграмме Н-х по любым двум известным параметрам влажного воздуха, можно найти точку, которая характеризует состояние воздуха и определить его основные параметры.

5.3 Равновесие при сушке.

Рассмотрим влажное твердое тело, находящиеся в контакте с газовым потоком.

При постоянном давлении и определенной температуре влажный газ (воздух) характеризуется величиной относительной влажности:

(5.21)

Если давление пара жидкости в материале отличается от парциального давления пара в газовом потоке , то между двумя фазами будет иметь место массообмен вплоть до состояние равновесия, т.е. до . При этом наступает состояние динамического равновесия, которому соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью .

Направление массопереноса определяется соотношением и .

Если - перенос влаги к твердому телу (сорбция), если - перенос влаги из твердой фазы в газовую (десорбция), т.е. идет процесс сушки.

При Т=const и Р=const каждому значению соответствует определенная . Имея совокупность величин (в материале), можно построить изотерму для влажного тела.

Пусть соответствует равновесная относительной влажности .

Если - последует десорбция – сушка материала, так как .

Если - будет сорбция – увлажнение материала, так как .

Рис.5.2. Диаграмма состояния влажного материала

(равновесная кривая сушки).

Пусть влагосодержание материала, соответствующее равновесному состоянию с газом, относительная влажность которого .

Если тело влагосодержанием находится в контакте с газом, относительной влажности , процесс сушки будет происходить до тех пор, пока влагосодержание не дойдет до которая соответствует данной влажности. Разность представляет собой относительное количество влаги, которое может быть удалено при относительной влажности газовой фазы .

Когда влагосодержание твердого тела ниже , давление паров жидкости в материале меньше парциального давления пара чистой жидкости. Влага, соответствующая такому влагосодержанию, называется связанной.

Если влагосодержание материала превышает , тогда давление паров жидкости в материале такое же как и парциальное давление пара чистой жидкости. Поэтому влагу, соответствующую разности влагосодержаний , называют свободной, несвязанной. максимальное гигроскопическое влагосодержание.

При влажности больше влага заполняет все макропоры и капилляры твердого тела и содержится на его поверхности. Испарение идет с поверхности жидкости.

Таким, образом, можно выделить две зоны:

- зона влажного состояния , когда давление паров жидкости в материале не зависит от влажности материала и равно давлению насыщения свободной жидкости при температуре материала;

- зона связанной влаги (гигроскопического состояния) , когда давление пара жидкости над поверхностью материала отличается от давления насыщенного пара свободной жидкости и зависит от его влажности и температуры. Первая зона соответствует первому периоду сушки, вторая зона – второму периоду сушки.

Следует отметить, что для кривых сорбция – десорбция характерно явление гистерезиса.

12 3 Следующая ⇒