План

1. Кінетика сушіння.

2. Основи розрахунку сушарок.

1. Кінетика сушіння.

При конвективному сушінні вологих матеріалів волога переміщується в матеріалі у напрямі від центру окремих частин (зернина, стебло та інше) матеріалу до периферії, де матеріал омивається сушильним агентом.

Таке переміщення вологи в основному відображає дифузійний процес, рушійною силою якого є різниця між концентраціями вологи в різних точках матеріалу. Тому, основне рівняння вологопровідності може бути записане аналогічно рівнянню Фур’є:

де Mw - кількість вологи, яка пройшла через поверхню F за час t при градієнті концентрації;
Kw- коефіцієнт, який залежить від характеру зв’язку вологи з матеріалом і від властивостей матеріалу.

Волога може переміщуватися у матеріалі як у вигляді рідини, так і у вигляді пари. Осмотична волога буде мігрувати через стінки клітини у вигляді рідини. При великій вологості матеріалу переважає міграція вологи у вигляді рідини, при малій вологості – у вигляді пари.

При сушінні поряд з концентраційним градієнтним має місце і температурний градієнт, внаслідок наявності якого проявляється дія термовологопровідності. Експериментально встановлено, що під дією температурного градієнта у вологих матеріалах волога переміщається у напрямі потоку тепла.

Загальна кількість вологи, що переміщається під дією температурного градієнта може бути виражена рівнянням:

Сумарна кількість вологи, яка переміщається за наявності обох градієнтів, при конвективному сушінні.

Через те що тепловий потік направлений від периферії до центра тіла, а потік вологи, обумовлений різницею концентрацій має протилежний напрям.

Процес сушіння протікає із швидкістю, яка залежить від форми зв’язку вологи з матеріалом і механізму переміщення в ньому вологи. Кінетика сушіння характеризується зміною в часі середньої вологи матеріалу, віднесеної до кількості абсолютно сухого матеріалу. Залежність між вологістю матеріалу і часом t відображається кривою сушіння, яку будують за дослідними даними.

У загальному вигляді крива сушіння складається з декількох ділянок.

Рисунок 10.1 - Крива сушіння матеріалу

Таке зменшення спостерігається до досягнення першої критичної вологості, після чого наступає період падаючої швидкості сушіння (ІІ період).

У цьому періоді зменшення вологості матеріалу виражається ділянкою СЕ. Наприкінці ІІ періоду сушіння вологість асимптотично наближається до рівноважної. Досягнення рівноважної вологості означає повне припинення подальшого випаровування вологи з матеріалу.

Швидкість сушіння в І періоді, коли видаляється вільна волога може бути виражена рівнянням:

де Pн – парціальний тиск водяної пари в приграничному паровому шарі;
Pв– парціальний тиск водяної пари в навколишньому середовищі;
Vc – швидкість сушильного агента;
– його густина.

Отже, в І періоді сушіння визначальними факторами є параметри сушильного агента.

У ІІ-му періоді починає виділятись зв’язана волога. При цьому парціальний тиск водяних парів на поверхні матеріалу стає меншим від тиску чистої води за тієї ж температури. Швидкість сушіння в цей період залежить не тільки від дифузії вологи в навколишнє повітря, а також від вологопровідності матеріалу. Якщо припустити, що в ІІ-й період сушіння рушійною силою процесу сушіння є різниця між волого вмістом матеріалу і рівноважним вологовмістом, то можна тоді записати вираз для швидкості сушіння в ІІ-й період.

де К – коефіцієнт сушіння, що характеризує інтенсивність вологообміну.

Для ІІ-го періоду сушіння початковий волого вміст матеріалу відповідає критичній вологості . Коефіцієнт сушіння К знаходять експериментально. Якщо ж прийняти, що в ІІ-й період крива сушіння може бути замінена прямою, то

де R – визначальний геометричний розмір тіла, що висушується;
– коефіцієнт зовнішнього волого обміну, м/год;
– коефіцієнт понтенціалопровідності масопереносу, .

2. Основи розрахунку сушарок.

Для теоретичного процесу сушіння ми вважаємо, що в сушильній камері повітрю не надається тепло додатково і воно не втрачає внесеного тепла.

Рис. 5.3. Схема сушильної установки з нормальним сушильним процесом.

Повітря, яке надійшло в сушарку, передає своє тепло волозі матеріалу, яка нагрівається і випаровується. Утворені пари з усім теплом, одержаним від повітря, змішуються з повітрям. Тому тепловміст залишається постійним, хоч температура його знижується.

Повітря, яке виходить з сушильної камери має параметри: . Очевидно, що ; , , але .

Рис.5.4. І-d діаграма

На І-d діаграмі теоретичний процес сушіння зобразиться лінією постійної ентальпії, тобто I=const. Точку С характеризує повітря на виході його з сушильної камери. Процес підігріву в підігрівнику зобразиться лінією АВ при . Точка А характеризує стан повітря при його вході в підігрівник.

Витрата сухого повітря на 1кг випареної води:

Волого вміст і можна визначити з I-d діаграми.

Витрату тепла на 1кг випареної води:

Рівняння матеріального балансу реального процесу сушіння:

де - витрата вологого матеріалу, кг/год.;
- витрата висушеного матеріалу, кг/год.;
L - витрата сухого повітря;

З рівняння матеріального балансу:

Позначимо , тоді

Для розгляду теплового балансу реальної сушарки складемо таблицю теплового балансу:

Рівняння теплового балансу, матиме вигляд:

Звідси

де – кількість теплоти, що вноситься в камеру сушарки або втрачається нею, Дж на 1кг випарної води.

може бути додатною або від’ємною в залежності від значення складових теплового балансу. В частковому випадку, коли величини із знаком „-” рівні величинам із знаком „+” , а отже .

Рис. 5.5. Графічний розрахунок реальної сушарки.

При стан повітря в сушильній камері змінюється не у відповідності зі лінією ВС, а по якійсь лінії, що лежить вище цієї лінії і яка має початок в т. В (лінія ). Якщо повітря виходить із сушарки при одній і тій же відносній вологості, то тепловміст його в т. > ніж в т. С.

Тоді

але оскільки

Цей вираз дозволяє визначити положення лінії при відомому . З подібності трикутників і та і

де і - масштаби тепловмісту і вологовмісту.

З цих рівнянь можна записати:

За заданих умов сушіння будуємо лінії теоретичного процесу. Через довільну точку е на лінії ВС проводимо лінію eF і вимірюємо величину eF (в мм). потім за формулою (І) визначаємо Ее (в мм). Відкладаємо відрізок Ее і через т. В і Е проводимо лінію дійсного процесу. аналогічно визначається лінія дійсного процесу сушіння при .