I – d діаграма вологого повітря

5.3. I – d діаграма вологого повітря.

     Основні параметри вологого повітря (t, φ, p_п, I, d) взаємно пов’язані і змінюються в процесі сушіння. Цей взаємозв'язок найбільш наочно зображується графічно на діаграмі стану вологого повітря (рис. 5.1), запропонованої професором Л. К. Рамзіним у 1918 р., яка широко використовується при розрахунку процесу сушіння і сушильних апаратів. Діаграма побудована в координатах  I - d за допомогою рівнянь (5.7) і (5.13) для барометричного тиску 745 мм рт. ст. (99,3 кПа), який можна вважати середньорічним для Європейської частини території країн СНД, але з достатньою точністю може застосовуватися в інтервалі Р = (99 ÷ 104) кПа, що є характерним для роботи конвективних сушарок. Для більш раціонального використання площі діаграми (з метою кращого розведення ліній φ=const) кут між осями прийнятий рівним 135°.  На І - d діаграмі нанесені наступні лінії: 

Рис. 5.1.  І - d діаграма вологого повітря.

            - постійного вологовмісту (d=const), які після побудови перенесені на

допоміжну горизонтальну вісь і представлені на діаграмі вертикальними лініями; 
            - постійної ентальпії (I=const), проведені під кутом 135° до ліній постійного вологовмісту;  

            - постійних температур (ізотерми t=const), побудовані за рівняннями (5.10), (5.13) і представлені у вигляді похилих прямих (І_п≈2493+1,97t кДж/кг, де r₀=2493 кДж/кг – ентальпія водяної пари при 0⁰С, с_п≈1,97 кДж/(кг·град – середня питома теплоємність перегрітої водяної пари), що з'єднують точки постійних температур при різних I та d; ізотерми трохи збільшують свій нахил до горизонтальної осі в міру зростання температури; 

           - постійної відносної вологості (φ=const), які утворюють пучок кривих, що виходять з однієї точки (на діаграмі не показана) з координатами t = -273⁰С і d=0 та проведені через точки перетину ізотерм з лініями вологовмісту, знайденого при заданих t і φ за допомогою рівняння (5.7); при температурі 99,4⁰С криві φ=const  мають різкий перелом та йдуть практично вертикально вгору, оскільки при цьому тиск насиченої пари дорівнює барометричному тиску 745 мм рт. ст., для якого побудована діаграма, за межами температури насичення величина φ не залежить від температури і практично є величиною постійною, як і вологовміст d;    

          - парціального тиску пари p_п – допоміжна лінія, що проходить через початок координат по точках, обчислених з рівняння (5.7); для лінії парціального тиску пари праворуч на діаграмі є додаткова шкала у мм. рт. ст. і гПа. 
        Лінія φ=100% відповідає стану насичення повітря водяною парою при даній температурі. Всі точки, що розташовуються на діаграмі вище цієї лінії, характеризують стан ненасиченого вологого повітря, який може використовуватись як сушильний агент. Площа діаграми, що розташована нижче лінії φ=100%, відноситься до повітря, пересиченого водяною парою (нестабільний стан), і для розрахунку сушильних процесів не використовується.

       За двома відомими параметрами вологого повітря (наприклад, φ₀ та t₀) за допомогою І – d діаграми можна знайти точку, яка характеризує конкретний стан вологого повітря і, відповідно, всі інші його параметри. Припустимо, що повітря, яке подається в сушарку, характеризується точкою А та його параметри дорівнюють відповідно I₀, d₀, φ₀, t₀. Таке повітря має низькі сушильні властивості і перед подачею в сушарку його зазвичай підігрівають у калориферах до заданої температури без зміни вологовмісту d₀. При цьому повітря набуває нових властивостей, що характеризуються параметрами  I₁, d₁=d₀, φ₁, t₁, яким на діаграмі відповідає точка В, а процес підігріву зображується лінією AB. Продовження лінії AB (у бік охолодження) до перетину з кривою  φ=100% утворює точку а, звану точкою роси. За ізотермою, що проходить через цю точку, можна визначити значення температури точки роси t_р для даного повітря. Подальше зниження температури призводить до конденсації пари і процес охолодження повітря піде по кривій φ=100%. 
      Якщо нагріте повітря, проходячи через сушарку, контактує з висушуваним матеріалом без відводу або підведення тепла ззовні, тобто в адіабатичних умовах (І=const), то висушування здійснюється тільки за рахунок тепла, яке передається матеріалу повітрям із зниженням температури сушильного агента. Така умовна сушарка називається теоретичною або адіабатичною. Тепло, яке при цьому витрачається на випаровування вологи, повертається до вологого повітря у вигляді ентальпії утвореної пари, і загальна ентальпія вологого повітря не змінюється. До кінця процесу повітря набуває нових параметрів  I₂ = I₁, d₂, φ₂ і t₂, що відповідають точці С (рис. 5.1), а лінія теоретичного процесу сушіння зображується прямою ВС. Продовження лінії ВС до перетину з кривою φ = 100% утворює точку b. Ізотерма, що проходить через цю точку, дає значення температури вологи, що випаровується,  або температури мокрого термометра (t_м). Різниця температур  характеризує здатність сушильного агента поглинати вологу з матеріалу і називається потенціалом сушіння. Якщо ε=0, то повітря насичене вологою повністю і сушіння таким повітрям неможливе. 

      У дійсному процесі сушіння тепло сушильного агента витрачається не тільки на випаровування вологи; частина його йде на нагрівання матеріалу q_м, транспортних пристроїв q_т, втрачається в навколишнє середовище q_вт. У сушильну камеру може бути введено додаткове тепло q_д. Отже, в дійсній сушарці ентальпія сушильного агента змінюється і I₂≠I₁, а лінія процесу (рис. 5.1) пройде з точки В вище лінії теоретичної сушарки в точку C', якщо внутрішній тепловий баланс сушильної камери Δ (див. розд. 5.6) позитивний і ентальпія повітря зростає (I₂>I₁), або нижче лінії теоретичної сушарки (в точку С" ), коли Δ негативна і ентальпія зменшується (I₂ <I₁). 

      Побудова процесу дійсної сушарки на діаграмі І - d зводиться до визначення положення лінії BC' (ВС"). Для цього на лінії теоретичної сушарки BC довільно вибирають точку E і проводять через неї горизонталь до перетину з лінією AB в точці D (відрізок ED). При Δ > 0 від точки E відкладають вгору відрізок ЕЕ'  а при Δ<0 - вниз відрізок EE", довжину яких знаходять за формулою 

,

де  - відношення масштабів діаграми по ентальпії  M_I і вологовмісту M_d. З’єднавши точку В з точкою E' або Е" прямою до перетину з заданим значенням φ₂ або t₂, отримаємо лінію дійсного процесу сушіння BC' чи BС". Точка С'(С") характеризує параметри вологого повітря по закінченні процесу сушіння, тобто на виході з сушарки.