В различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и быту нередко возникает необходимость удаления влаги из твердых,зернистых, порошкообразных, волокнистых и других веществ и материалов. Удаление влаги из материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (например, повысить механическую прочность твердых материалов, уменьшить слеживаемость удобрений, улучшить растворимость красителей), а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении и последующей обработке этих материалов.
Сушка является одним из распространённых технологических процессов в промышленных и агропромышленных производствах.
В результате удаления влаги обезвоженные материалы и продукты уменьшаются в весе, повышается их механическая прочность и стойкость к воздействию окружающей среды, вследствие чего увеличивается длительность хранения пищевых и кормовых продуктов, время эксплуатации конструкций и сооружений, выполненных из древесины и подверженных гниению различных материалов.
Однако сам процесс сушки представляет повышенную пожарную опасность и высушенные продукты и материалы, как правило, также пожароопасны. Поэтому для обеспечения пожарной безопасности при эксплуатации сушильных установок требуется знание физической сущности процесса сушки, причин и условий возникновения и развития пожаров при сушке и хранении высушенных материалов.
Под сушкой понимают процесс удаления любой жидкости из различных веществ, материалов, продуктов и изделий. Наиболее распространенным является удаление из высушиваемых материалов воды. Удаление влаги из материалов и продуктов может осуществляться механическим, физико-химическим и тепловым способами. Механические способы (прессование, фильтрование, центрифугирование, отжим и отсасывание) применяют в тех случаях, когда не требуется полное удаление влаги; физико-химический (поглощение влаги химическими реагентами и гигроскопическими веществами) – применяют главным образом при осушке газов. Тепловой способ является основным.
Тепловой или термической сушкой называют процесс удаления воды или другой жидкости из материалов испарением под действием температуры. При этом на испарение влаги или другой жидкости затрачивается тепловая энергия.
Термический КПД сушильных установок можно оценить по формуле
, (1)
где Т – температура входящего воздуха, ТО – температура выходящего из сушилки воздуха, ТН – температура наружного воздуха.
Сушка является сложным тепломассообменным процессом, интенсивность которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала и отвода её в окружающую среду. Основные положения по кинетике сушки впервые были сформулированы русскими учёными С.П. Коссовичем и А.П.Лебедевым. Большой вклад в развитие теории, технологии и техники сушки внесли советские учёные А.В.Лыков, П.Д. Лебедев, М.Ю. Лурье, Г.А.Кук, П.Г.Романков, Л.Н.Плановский, А.С.Гинзбург, Н.Е.Федоров, А.А.Долинский, М.В.Лыков и другие.
Сушка – один из наиболее распространенных технологических процессов. Нет такой отрасли промышленности или сельского хозяйства, где бы этот процесс не применялся. Важно отметить и то, что процесс сушки энергоёмкий. По оценкам многих специалистов на сушку затрачивается более 12 % тепловой энергии, получаемой при сжигании органического топлива. Естественно, что вопросы экономичности и интенсификации тепловой сушки всегда находились в центре внимания специалистов по прцессам и аппаратам тепловой сушки. Поскольку интенсификация процессов термической сушки сопровождается повышением пожаровзрывоопасности, то этими вопросами занимались как специалисты по сушке, так и по пожарной безопасности.
По способу подвода тепловой энергии к высушиваемому материалу различают следующие виды сушилок: конвективные (подвод теплоты и отвод паров жидкости осуществляется конвективными потоками газообразного сушильного агента); кондуктивные или контактные (теплота передается в основном теплопроводностью от нагретой поверхности); радиационные (теплота от нагревателя к высушиваемому материалу передается тепловым излучением); диэлектрические (материал нагревается в поле высокой частоты) и комбинированные.При производстве пищевых, кормовых, химических продуктов, при сушке окрашенных изделий и древесных материалов наибольшее распространение получили конвективные сушилки. Предпочтение конвективным сушилкам отдается потому, что они позволяют получать продукты повышенного качества, полностью механизировать и автоматизировать процесс сушки.
Механизм и кинетика сушки определяются в основном формой связи влаги с материалом и режимом сушки.
В основу классификации форм связи влаги с материалом положена схема П.А.Ребиндера. Согласно этой схеме различают физико-механическую, физико-химическую и химическую связь. При физико-механической связи влага и твёрдый материал могут находиться в произвольных (неопределенных) соотношениях. Для физико-химической связи характерно более определенное соотношение, хотя и не строгое соотношение, которое свойственно химической связи.
При сушке удаляется влага, связанная с материалом физико- механически и физико-химически. Химически связанная влага не удаляется, так как этот процесс сопровождается необратимыми изменениями, ухудшающими качество продукта.
Влагу, связанную с материалом слабыми силами, называют свободной. Она испаряется практически так же, как и влага со свободной поверхности жидкости. Парциальное давление пара Рр на поверхности жидкости равно парциальному давлению насыщенного пара (Рр = Рs). Для влаги, связанной с материалом физико-химическими (например, адсорбционными) силами, Рр< Рs.
В процессе сушки влага перемещается из внутренних слоев к поверхности материала. Затем путем диффузии она проникает через пограничный слой и конвективными потоками рассеивается в окружающей среде. При большом влагосодержании внутри материала влага перемещается в виде жидкости. По мере уменьшения - в виде смеси жидкости с паром и, наконец, при малом содержании – в виде пара.
Процесс сушки характеризуется изменением влагосодержания и температуры высушиваемого материала. В общем случае кинетическая кривая сушки состоит из нескольких участков, соответствующих периодам сушки (рис. 1).
Рис.1. Кривые сушки - первый период сушки, τ2-второй период сушки
В начальный момент времени материал нагревается (отрезок АВ). Скорость сушки возрастает. Температура поверхности материала Тм повышается до температуры мокрого термометра Тм т . При этом скорость сушки достигает максимальной величины. Далее следует период постоянной скорости сушки, соответствующий участку ВС. Периодом прогрева обычно пренебрегают и период постоянной скорости сушки называют первым периодом сушки. Этот период продолжается до точки, соответствующей критическому влагосодержанию (точка C) . Затем скорость сушки уменьшается. Влагосодержание материала асимптотически приближается к равновесному, и температура поверхности материала приближается к температуре окружающего сушильного агента. На этом процесс сушки прекращают и высушенный материал охлаждают. Если этого не сделать, то высушенный материал, склонный к самовозгоранию, начнет саморазогреваться, что может привести к пожару или взрыву.
Интенсивность сушки (10 мин)
Важнейшим технико-экономическим показателем процесса сушки является интенсивность сушки Js , которая характеризует количество влаги, испаряемой с единицы поверхности в единицу времени. Количество испаренной влаги Gвл связано с интенсивностью сушки соотношением:
dGвл = Js F d, (2)
где dGвл – количество испаренной влаги, кг;
Js – интенсивность испарения , кг/(м2 с);
F – поверхность испарения, м2;
- продолжительность сушки, с.
В первом периоде (периоде постоянной скорости сушки) интенсивность испарения может быть определена по формуле Дальтона :
, (3)
где - коэффициент массообмена, м/с; сп и сср – концентрация паров жидкости на поверхности и в сушильном агенте (в окружающей среде), кг/м3. Интенсивность испарения в этом случае определяется только параметрами теплоносителя и не зависит от свойств высушиваемого материала. Скорость сушки зависит от интенсивности сушки Js и площади поверхности высушиваемого материала F.
В соответствии с законом сохранения энергии, в первом периоде сушки интенсивность сушки определяется мощностью (плотностью) теплового потока энергии, поступающего к поверхности высушиваемого материала. В период падающей скорости сушки интенсивность испарения меньше, поэтому часть тепловой энергии не уносится парами испаряющейся жидкости, а идет на нагревание высушиваемого материала. Скорость сушки в этом периоде определяется не скоростью отвода паров с поверхности в окружающую среду, а внутренней диффузией влаги. Перенос же влаги с поверхности материала в окружающую среду в этом случае играет вспомогательную роль. Интенсивность переноса влаги внутри материала определяется процессами влагопроводности (переносом влаги под действием градиента влажности), термовлагопроводности (перемещение влаги под влиянием градиента температуры) и молярным переносом пара под влиянием градиента давления пара. Уравнение переноса влаги внутри материала может быть записано в виде:
-, (4)
где Js – плотность потока влаги внутри материала, кг/(м2 с); - плотность абсолютно сухого материала, кг/м3; - термоградиентный коэффициент, 1/К; Кр – коэффициент воздухо – или влагопроницаемости;
- частные производные, характеризующие градиенты влажности, температуры и давления пара влажного материала.
При тепловой конвективной сушке второй член уравнения (4) препятствует перемещению влаги из внутренних слоев к поверхности. Это ведет к пересушиванию поверхностного слоя и перегреву, что сопровождается ухудшением свойств высушиваемых материалов (появляются трещины, ухудшается питательная ценность, растворимость пищевых продуктов и т. д.). В этот период создаётся реальная опасность загорания высушиваемого материала. Если высушиваемый материал не вывести из зоны высоких температур, то, взаимодействуя с кислородом воздуха, он начнет окисляться и при определенных условиях может загореться. При этом загорание может произойти как в режиме самовозгорания, так и в режиме зажигания. Характерным примером зажигания влажного материала может служить начальная стадия горения клубней картофеля при выпечке их на костре или в горящих углях. Пожары, вызванные зажиганием, могут иметь место при терморадиационной сушке и при выпечке хлебо-булочных изделий, обжарке и т. д. Аналогичное явление наблюдается и при конвективной сушке, когда в качестве сушильного агента применяют продукты сгорания, например, при сушке травы при производстве витаминной травяной муки.
, (1)
- первый период сушки, τ2-второй период сушки
, (2)
, (3)
- коэффициент массообмена, м/с; сп и сср – концентрация паров жидкости на поверхности и в сушильном агенте (в окружающей среде), кг/м3. Интенсивность испарения в этом случае определяется только параметрами теплоносителя и не зависит от свойств высушиваемого материала. Скорость сушки зависит от интенсивности сушки Js и площади поверхности высушиваемого материала F.
, (4)
- плотность абсолютно сухого материала, кг/м3; 
- термоградиентный коэффициент, 1/К; Кр – коэффициент воздухо – или влагопроницаемости;
- частные производные, характеризующие градиенты влажности, температуры и давления пара влажного материала.