Характер протекания процесса сушки

Под кинетикой процесса сушки обычно понимают изменение среднего влагосодержания и(t) и средней температуры t тела с течением времени . Изменение локального влагосодержания и и локальной температуры t стечением времени t зависит от взаимосвязанного механизма переноса влаги и тепла внутри влажного материала и массо- и теплообмена поверхности тела с окружающей средой. Механизм массо- и теплопереноса внутри влажных тел в свою очередь очень ложный, он определяется характером связи влаги с влажными телами, поэтому кинетика процесса сушки в значительной мере определяется физико-химическими свойствами самого сохнущего материала.

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.

нестационарные поля влагосодержания и температуры (динамика процесса сушки) определяются закономерностями влаго- и теплопереноса внутри тела, а также внешним влаго- и теплообменом с окружающей средой.

Изменения средних влагосодержания и температуры тела с течением времени (кинетика процесса сушки) в первую очередь определяются закономерностями взаимодействия тела с окружающей средой, т. е. внешним тепло- и массообменом.

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).

Температура в центре образца материала в начале процесса сушки повышается медленно по сравнению с температурой поверх­ности материала и достигает температуры мокрого термометра не­сколько позже (рис. 3.1).

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 (температур­ный градиент внутри материала равен нулю), 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 скорости. Иногда пе­риод постоянной скорости назы­вают первым периодом (началь­ную стадию сушки условно относят к периоду постоянной скорости), а период падающей скорости — вторым периодом. Такое название является не вполне удачным, так как основ­ным признаком разного харак­тера протекания процесса сушки является изменение температуры материала. Поэтому первый период лучше называть периодом постоянной температуры материала t = const, a второй — перио­дом повышающейся температуры материала (t = var) (** Описанный характер протекания процесса сушки справедлив для тонких материалов при их медленной сушке, когда тепло, необходимое для нагревания тела и испарения влаги, берется из окружающего нагретого воздуха (конвектив­ная сушка)).

Капиллярнопористые тела, имеющие малую усадку, в первом периоде имеют несколько отличные температурные кривые: темпе­ратура на поверхности материала равна температуре мокрого термо­метра, а в центре образца несколько меньше, т. е. в первом периоде существует постоянный перепад температуры между поверхностью и центром образца материала. Это происходит потому, что жидкость частично испаряется внутри материала (критерий фазового превращения не равен нулю), для чего необходим подвод тепла, а следо­вательно, и перепад температуры.

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

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).

На рис. 3.4 приведены две температурные кривые для поверх­ностных и центральных слоев влажного материала, который дает усадку в первом периоде. При уменьшении влагосодержания (в начале процесса сушки) температура поверхности материала быстро повышается и принимает постоянное значение, равное тем­пературе мокрого термометра (температура испаряющейся жид­кости). Эта температура остаётся постоянной до первой критической точки, начиная с которой температура материала повышается и при достижении равновесного влагосодержания становится равной тем­пературе окружающей среды (температуры воздуха).

Рис. 3.4. Типичные температурные кри­вые влажных материалов для

поверх­ностных и центральных слоев

в периоде падающей скорости наблю­дается вторая критическая точка, начиная с которой температура тела становится линейной функцией влагосодержания (dt/dW = const). Капиллярнопористые тела, незначительно меняющие свои раз­меры в первом периоде, имеют несколько отличные температурные кривые (рис. 3.5). В этом случае температура материала в любой его точке не изменяется в периоде постоянной скорости, но тем­пература поверхностных и центральных слоев различна, т. е. внутри материала существует температурный градиент.

период постоянной скорости характеризуется постоянной скоростью сушки и постоянной температурой мате­риала, а период падаю­щей скорости — убывающей скоростью сушки и возра­стающей температурой ма­териала.

Рис. 3.5. Типичные температурные кривые капиллярнопористых влажных

материалов для поверхностных и центральных слоев

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.