СУШІННЯ

СУШІННЯ

5.1. Загальні відомості

      Сушінням називається процес видалення вологи з речовин (найчастіше твердих тіл) шляхом її термічного випаровування і відведення пари, що утворюється. Цей процес застосовується звичайно або на кінцевих стадіях технологічного процесу з метою забезпечення заданих фізико-механічних характеристик одержуваних продуктів, або на проміжних стадіях, якщо видалення вологи необхідно по технологічних причинах.

      По своїй фізичній сутності сушіння є складним процесом спільного тепломасопереносу і зводиться до переміщення вологи з глибини матеріалу, що висушується, до його поверхні і наступному її випаруванню в навколишнє середовище. У процесі сушіння вологе тіло прагне до стану рівноваги з навколишнім парогазовим середовищем, тому його температура і вологість у загальному випадку є функцією часу і координат . Таким чином, процес сушіння в загальному випадку є процесом нестаціонарним. Швидкість сушіння визначається швидкістю дифузії вологи з глибини матеріалу, що висушується, у навколишнє середовище і залежить від ряду факторів, у першу чергу - від внутрішньої структури матеріалу і його теплофізичних властивостей, розмірів, форми і стану зовнішньої поверхні.

      По способу підведення тепла до матеріалу, що висушується, розрізняють наступні види сушіння:

      1) сушіння конвективне, проводиться при безпосередньому контакті матеріалу і сушильного агента, в якості якого найчастіше використовують нагріте повітря або суміш повітря з продуктами згоряння палива (топковими газами); підведення тепла в цьому випадку здійснюється газовою фазою, яка у процесі сушіння охолоджується зі збільшенням свого вологовмісту;

      2) сушіння контактне (кондуктивне) реалізується шляхом передачі теплоти від теплоносія до матеріалу через тверду стінку, що їх розділяє;

      3) сушіння радіаційне здійснюється шляхом передачі теплоти матеріалові інфрачервоним випромінюванням;

      4) сушіння діелектричне, при якому матеріал висушується при нагріванні його струмами високої частоти;

      5) сушіння сублімаційне, при якому волога з попередньо замороженого матеріалу переходить в умовах глибокого вакууму і низьких температур у пароподібний стан, минаючи стан рідкий (сублімує).

      При будь-якому методі сушіння матеріал, що висушується, знаходиться в контакті з вологим газом. При конвективному сушінні сушильний агент передає матеріалові тепло і виносить вологу, що випаровується з матеріалу, тобто відіграє роль тепло- і вологоносія. При інших методах сушіння газ, що знаходиться в контакті з матеріалом, використовується лише для видалення вологи, що випарувалася, тобто виконує роль вологоносія. Відповідно, вивчення властивостей вологого газу є необхідним при розгляді процесів сушіння і їхніх розрахунків.

5.2. Основні параметри вологого газу.

      Вологий газ є сумішшю сухого газу з парами рідини. Вологе повітря, що найбільш часто використовують як сушильний агент, можна вважати при невеликих тисках і позитивних температурах бінарною сумішшю ідеальних газів: сухого повітря і водяної пари. Відповідно до закону Дальтона тиск ідеальної газової суміші є сумою парціальних тисків її компонентів:

                                                            ,                                               (5.1)

де Р – тиск парогазової суміші; р_с.г , р_п – парціальні тиски сухого газу і  пари відповідно.

      Пару називають вільною або перегрітою при температурі t і тиску P, якщо вона не конденсується в цих умовах. Максимально можливий вміст пари в газі, вище якого спостерігається конденсація, відповідає умовам насичення при визначеній температурі t і парціальному тиску р_п.н.

      Вологий газ як волого- і теплоносій характеризується наступними основними параметрами.

      Абсолютна вологість визначається масою пари, що міститься в одиниці об'єму вологого газу. Оскільки пара, як компонент бінарної суміші, займає весь об’єм вологого газу, поняття абсолютної вологості збігається з поняттям густини пари ρ_п (кг/м³) при температурі t газу і парціальному тиску  пари р_п.

      Відносна вологість являє собою ступінь насичення газу φ і виражається відношенням кількості пари рідини в газі до максимально можливого при даних температурі і загальному тиску або (що те ж саме) відношенням густини пари ρ_п за даних умов до густини пари в стані насичення ρ_п.н за тих самих умов:

                                                             .                                                (5.2)

      Відповідно до рівняння стану ідеальних газів (рівняння Менделєєва-Клапейрона) для пари у вільному і насиченому стані одержимо:

                                                                                  (5.3)

де Т – абсолютна температура газу, ⁰К, R – універсальна газова стала, що дорівнює 8314 Дж/кгּК, М_п – мольна маса пари, р_п.н. – тиск насиченої пари при даній температурі і загальному тиску, Па.

       Підставляючи вираз (5.3) у рівняння (5.2), одержимо:

                                                                                          (5.4)

      Відносна вологість є однією з найважливіших характеристик газу (повітря) як сушильного агента, що визначає його вологоємність, тобто його здатність до насичення парами вологи.

      У процесі сушіння газ (повітря) зволожується та охолоджується  і відповідно змінює свій об'єм. Тому використання абсолютної вологості як параметру повітря ускладнює розрахунки. Більш зручно відносити вологість повітря до одиниці маси його абсолютно сухої частини (1 кг сухого повітря), яка не змінюється в процесі сушіння.

      Вологовміст газу – маса пари (у кг), що міститься у вологому газі, яка приходиться на 1 кг абсолютно сухого газу:

                                                                                               (5.5)

де  G_п - маса (масова витрата) пари, кг (кг/с), L - маса (масова витрата) абсолютно сухого газу, кг (кг/с), ρ_п і ρ_с.г - густина відповідно пари і сухого газу в газовій суміші, кг/м³.

      Для того, щоб установити зв'язок між вологовмістом і відносною вологістю, підставимо у (5.5) значення ρ_п і ρ_с.г, виражені через рівняння стану ідеального газу (5.3):

де М_с.г і р_с.г – мольна маса і парціальний тиск абсолютно сухого газу.

      З огляду на те, що  (з 5.1) і  (з 5.4), одержимо

                                                        .                                           (5.6)

      Для системи „водяна пара – повітря” рівняння (5.6) приймає вид (при М_п=18 кг/кмоль і М_с.г=29 кг/кмоль):

                                                       .                                      (5.7)

      Питома теплоємність вологого газу приймається адитивною величиною теплоємностей сухого газу і пари. При цьому розрізняють питому теплоємність с_сум, віднесену до 1 кг парогазової суміші:

                                                                                    (5.8)

і питому теплоємність вологого газу с, віднесену до 1 кг сухого газу (цю величину найчастіше використовують при розрахунках):

                                                            ,                                              (5.9)

де с_с.г і с_п  - питома теплоємність сухого газу і пари відповідно, Дж /(кгּК).

      Питома ентальпія (I) парогазової суміші (у Дж/кг сухого газу) виражається також за правилом адитивності як сума питомих ентальпій сухого газу I_с.г і пари I_п:

                                                            .                                             (5.10)

      Питому ентальпію вільної (перегрітої) пари визначають за наступним рівнянням:

                                                    ,                              (5.11)

де с_р – теплоємність конденсату пари; t_н – температура насичення, що відповідає парціальному тиску пари в парогазовій суміші; r_н – питома теплота паротворення при температурі насичення; t – температура вільної (перегрітої) пари, с_п – теплоємність пари.

      У рівнянні (5.11)  - питома ентальпія пари при температурі насичення, що для ізольованої системи може бути виражена також рівнянням

                                                             ,                                         (5.12)

де r₀  - питома теплота пароутворення при 0 ^оС.

     З урахуванням вираження (5.12) рівняння (5.10) буде мати такий вигляд:

                                                        .                                  (5.13)

     Рівняння (5.13) є базовим для побудови діаграм ентальпія – вологовміст (наприклад, діаграма Рамзіна–Мольє для вологого повітря).

      При розрахунках сушильних пристроїв необхідно знати об'ємні витрати потоків V при відповідних параметрах парогазової суміші, що визначаються з виразу

                                                            .                                   (5.14)

      При цьому густину парогазової суміші ρ_сум можна представити як суму густини сухого газу і пари рідини, що знаходяться в одному об’ємі (за умови його сталості):

                                                      .                        (5.15)

       З урахуванням рівняння стану ідеального газу маємо

                                                                                      (5.16)

або після перетворень

                                                     .                                  (5.17)

      Залежність (5.17) зручна для розрахунків густини парогазової суміші. Відповідно до цього виразу при сталості загального тиску густина суміші зменшується зі збільшенням температури і зниженням вологовмісту.