Кинетика процесса сушки. Состояния материала в процессе сушки.

Под кинетикой процесса сушки обычно понимают изменение среднего влагосодержания и(t) и средней температуры t тела с течением времени . Эти закономерности кинетики процесса сушки поз­воляют рассчитать количество испаренной влаги из материала и расход тепла на сушку.

Среднее по объему влагосодержание (%)мы в дальнейшем будем также обозначать через W, как это принято в сушильной технике. Локальные значения влагосодержания и температуры сушимого тела обозначаем соответственно через и , где - декартовы координаты, t — время.

Нахождение полей влагосодержания и (х, у, z, t) и температуры t(x. у, z, t) связано с решением системы дифференциальных равнении массо- и теплопереноса при соответствующих граничных слоях, отображающих способ и режим сушки (сушка нагретыми газами, инфракрасными лучами и т. д.). Эта система уравнений является системой нелинейных дифференциальных уравнений и ее решение возможно путем линеаризации уравнений или методами машинной техники.

В первую очередь рассмотрим наиболее простой случай сушки влажного тела нагретым воздухом с постоянными параметрами (температура воздуха t_с, его относительная влажность j и скорость движения v постоянны). образцы сушимого материала являются очень тонкими, т. е. имеют сравни­тельно большую удельную поверхность, так что перепады влагосодержания внутри тела малы (распределение влагосодержания внутри тела близко к равномерному, т. е. и ~ W).

Если режим сушки достаточно «мягкий» (небольшие температура и скорости движения воздуха при достаточно большой его влаж­ности), то процесс сушки протекает так. Для тонких материалов начальная стадия сушки незначи­тельна, так что на кривой сушки она мало заметна.

Рис. 3.1. Изменение влагосодержания и температуры на поверхности и в центре

влажного материала в процессе сушки

Таким образом, температура поверхности и температура центра образца материала становятся одинаковыми, перепад между тем­пературой воздуха и температурой поверхности материала будет величиной постоянной. Тогда при неизменном коэффициенте тепло­обмена интенсивность сушки будет постоянной. Поэтому этот пе­риод сушки называют периодом постоянной скорости, он характеризуется неизменной температурой материала (dt/dt = 0). * Этот период продолжается до некоторого влагосодержания W_к , начиная с которого температура поверхности материала повышается с те­чением времени, а скорость сушки уменьшается (прямолинейный участок кривой сушки переходит в кривую, асимптотически при­ближающуюся к равновесному влагосодержанию). Температура центра образца материала также повышается с течением времени, но температурная кривая немного отстает от температурной кривой для поверхности тела. Таким образом, внутри материала возникает температурный градиент, который постепенно уменьшается и при достижении равновесного влагосодержания становится равным нулю. В равновесном состоянии убыли влагосодержания не проис­ходит, а температура материала равна температуре воздуха. Этот период сушки с непрерывным повышением температуры мате­риала и с непрерывным умень­шением скорости сушки (убыль влагосодержания в единицу вре­мени) называют периодом па­дающей скоростиТаким образом, на основе совместного анализа кривой сушки и температурных кривых весь процесс сушки можно разделить на два периода: период постоянной скорости (температура материала постоянна dt/tt = 0) и период падающей скорости (температура материала переменна dt/dt > 0). Влагосодержание, соответствую­щее переходу первого периода во второй, называют критическим влагосодержанием.

Методом графического диф­ференцирования кривой суш­ки получают значение ско­рости сушки dW/dt для раз­ных значений влагосодержания, затем строится график dW/dt = f (W), который обычно называют кривой скорости сушки.

Рис. 3.2. Типичные кривые скорости суш­ки влажных материалов

анализ процесса сушки при помощи кривых скорости сушки является приближенным и может служить только качественным анализом кинетики процесса сушки.

Рис. 3.3. Более сложные кривые скорости сушки влажных материалов

Материалы, различные по характеру связи влаги, дают разную форму кривой скорости сушки (рис. 3.2 и 3.3).

Температурные кривые имеют большое значение для технологии сушки, так как качество высушенного материала в значительной степени зависит от величины температуры материала и длитель­ности ее воздействия. Температурные кривые дают возможность построить наилуч­ший режим с учетом технологических свойств материала. При сушке нагретым воздухом с определенными параметрами (t_с, j, v) нельзя удалить всю влагу. Процесс может быть проведен только до равновесной, соответствующей данным параметрам воздуха влажности материала. Поэтому в сушильной технике вво­дится понятие удаляемого влагосодержания W_y. Это влагосодер­жание материала W за вычетом равновесного влагосодержания W_р, т.е.

или . (2.6.1)

Из изотерм сорбции и десорбции следует, что если влагосодер­жание материала больше максимального гигроскопического , то давление пара жидкости материала равно давлению насыщенного пара свободной жидкости при температуре материала и не зависит от его влагосодержания, т. е.

> ; = = const . (2.6.2)

Если влагосодержание материала меньше максимального ги­гроскопического ( < ), то давление пара жидкости в мате­риале меньше давления насыщенного пара свободной жидкости и является функцией влагосодержания и температуры материала

< ), = . (2.6.3)

В состоянии гигротермического равновесия среднее (по объему) влаго­содержание U равно влагосодержанию в любой точке тела и (и = U = 0,01 W).

В связи с этим различают область влажного состояния мате­риала > и область гигроскопического состояния мате­риала < .

процесс сушки как термический процесс обезвоживания материала является более общим процессом. Де­сорбция есть процесс, обратный процессу сорбции, при котором также происходит сушка материала в пределах зоны гигроскопического влагосодержания. Следовательно, процесс сушки включает в себя как часть его и процесс десорбции.

В отличие от влагосодержания тела влажность материала равна содержанию жидкости отнесенной к единице массы влажного материала (относительная влажность материала по прежней тер­минологии), т. е.

, (2.6.4)

где — масса абсолютно сухого материала, кг; — влажность материала влажного тела, кг/кг или % (В некоторых источниках обозначается ).

Рис. 2.3. Схема классификации состояния материала с точки зре­ния процесса сушки

Следовательно, зависимость между влагосодержанием и влаж­ностью материала можно записать так:

. (2.6.5)

Таким образом, влагосодержанию W = 1кг/кг(100%) соответ­ствует влажность материала = 0,5 кг/кг(50%).