Загальні відомості про теплові способи видалення вологи
План
1. Рівноважна вологість матеріалу.
2. Тепловий спосіб сушіння матеріалів.
3. Загальна схема процесу сушіння.
1. Рівноважна вологість матеріалу.
Якщо в процесі взаємодії двох об'єктів: навколишнього середовища і матеріалу відбувається поглинання матеріалом вологи, то таке явище називається сорбцією, або вологопоглинанням.
Вологість матеріалу при цьому змінюється від нуля до гігроскопічного максимуму.
Зворотній процес видалення з матеріалу зв'язної вологи шляхом її випаровування називається десорбцією. Процес десорбції починається після випаровування вільної вологи. Якщо видалення вологи з матеріалу відбувається під дією температури навколишнього середовища, то таке явище називають сушінням. Отже, в процесі сушіння вологих матеріалів видалення вологи відбувається шляхом її випаровування. Криві зміни рівноважної вологи від відносної вологості оточуючого середовища за його постійної температури називають ізотермами сорбції (рис. 4.1).
Характер цих кривих залежить від особливості зв'язку вологи з матеріалом. Необхідно відмітити, що десорбція (крива 1) і сорбція (крива 3) не є абсолютно точними зворотними процесами. Нерівномірність стійкості вологості при різних напрямках процесу носить назву гістерезиса сорбції. Існує ряд гіпотез появи гістерезису сорбції. Тому в дослідженнях використовують середню стійкість матеріалу в оточуючому середовищі, яку називають рівноважною.
Рисунок 4.1 - Залежність вологості матеріалу W
від вологості повітря, при t=сonst
Варто наголосити, що ізотерми колоїдних, капілярно - пористих та капілярно - пористих колоїдних тіл мають свої особливості та форму. Вони пов’язані з внутрішньою будовою окремих тіл властивостей колоїдальної частини. Ті матеріали, у яких фізико-хімічні зв’язки вологи переважають над фізико-механічними зв’язками, мають більшу гігроскопічність. Таким чином, зв'язок вологи з матеріалом визначає гідротермічний рівноважний стан тіла і його основні технологічні властивості. Перенесення тепла і речовини в матеріалах також залежить від форми зв’язку рідини з тілом. Тому, розгляд явища перенесення необхідно повязувати з колоїдально-фізичними і фізико-хімічними властивостями матеріалів.
2. Тепловий спосіб сушіння матеріалів.
Тепловий спосіб сушіння матеріалів – це складний теплофізичний процес, в основу якого покладені явища перенесення. До основних фізичних явищ необхідно віднести:
– теплообмін між поверхнею матеріалу і оточуючим середовищем (сушильним агентом), у процесі якого відбувається проникнення тепла до центра окремих тіл;
– переміщення вологи в матеріалі, або вологопереміщення;
– випаровування вологи з поверхні матеріалу в оточуюче середовище (насичення вологою сушильного агенту, або вологовіддача).
Якщо вологість матеріалу є вище вологості гігроскопічної точки, то матеріал перебуває у сирому стані і його сушіння буде відбуватися за будь-яких параметрів повітря (сушильного агента) за умови .
При сушінні порівняно об'ємних тіл їх внутрішні шари можуть навіть утримувати вільну вологу. В той же час вологість поверхневих шарів буде нижчою гігроскопічної точки.
Для переміщення вологи на поверхню матеріалу необхідно створити відповідні умови, які виражаються наявністю градієнтів: вологості, температури, тиску.
Переміщення вологи під дією градієнта вологості називається вологопроникністю, а температури – термовологопровідністю.
Якщо всередині матеріалу виникає надлишковий тиск (градієнт тиску) пароповітряної суміші, то волога також буде рухатись до поверхні випаровування.
У сільськогосподарському виробництві основні енергетичні затрати припадають на збирання і післязбиральний обробіток. Тому перевагу при зниженні вологості у рослинних матеріалах надають природному (радіаційному) сушінню. Але забезпечення максимальної механізації і автоматизації можливе із застосуванням конвективного сушіння.
За такого способу сушіння тонких і дрібнодисперсних матеріалів з розвинутою поверхнею випаровування, швидкість процесу визначається умовами тепло- і вологообміну між поверхнею матеріалу і оточуючим середовищем.
Рослинні сільськогосподарські матеріали можна віднести до об'ємних тіл. Але в початковий момент швидкість звільнення від вільної вологи поверхневих шарів матеріалу визначається аналогічно як у тонких і дрібнодисперсних. Після видалення з матеріалу основної частини вільної вологи швидкість процесу буде залежати від вологоперенесення – швидкості переміщення вологи із внутрішніх шарів до поверхні випаровування під дією градієнта вологості.
Термовологопровідність при конвективному сушінні може давати і негативний ефект, коли температура на поверхні тіла вища температури внутрішніх шарів і потік тепла направляється до його центру. Тому, за наявності у матеріалах вільної вологи, його нагрів вище 100°С не допускається. Відповідно, дія надлишкового тиску (градієнту тиску) за таких умов відсутня.
У багатьох випадках при сушінні сільськогосподарських рослинних матеріалів має місце велика їх неоднорідність. Тоді можуть мати місце такі варіанти вологоперенесення:
• відсутність переміщення вологи між складниками за різної їх вологості;
• переміщення вологи за однакової вологості;
• переміщення вологи від тіла з більшою вологістю до тіла з меншою вологістю і в окремих випадках навпаки.
Для потенціалу перенесення рідини у капілярах мають бути забезпеченні наступні умови:
– в стані термодинамічної рівноваги потенціал перенесення вологи у всіх точках тіла і при контакті тіл з різною вологістю повинен бути однаковим;
– перенесення вологи відбувається у напрямку від більшого потенціалу до меншого.
Існує три основних напрямки видалення вологи із матеріалів: фізико-хімічний, механічний і тепловий.
Фізико-хімічний – побудований на поглинанні вологи гігроскопічними речовинами, які мають значну сорбційну здатність. Такими речовинами є вапно, хлористий кальцій і ряд інших. Даний спосіб використовують у деяких випадках при видаленні вологи із газів і рідин.
Механічний – призначений для видалення вологи із матеріалів, які мають високу початкову вологість. Для цього використовують пресування, фільтрацію та центрифугування.
Аналіз вказаних напрямків показує, що для сільськогосподарських рослинних матеріалів найбільш реально можна застосувати тепловий спосіб.
Серед великої кількості способів у господарствах при вирощуванні сільськогосподарських культур знайшли широке застосування лише два способи сушіння: радіаційний, конвективний.
Радіаційний який характерний тим, що теплота підводиться до матеріалу у вигляді променів сонячної енергії. Це природне зниження вологості.
Конвективний – спосіб, при якому тепло передається конвекцією від сушильного агента до матеріалу. Під сушильним агентом розуміють нагріте атмосферне повітря або ж суміш паливних газів з повітрям.
3. Загальна схема процесу сушіння.
Процес сушіння будь-яких матеріалів (рис. 4.2) прийнято характеризувати трьома типовими кривими: сушіння, швидкості сушіння, зміни температури.
Крива сушіння (І) показує зміну середньоінтегральної вологості матеріалу з часом W=f().
Крива швидкості сушіння (ІІ) характеризує процес в залежності від середньоінтегральної вологості матеріалу або зміну швидкості процесу сушіння з часом
Крива температури (III) матеріалу показує зміну температури матеріалу в процесі сушіння залежно від середньої вологості .
Рисунок 4.2 - Загальна схема процесу сушіння
Криві сушіння і зміни температури будують за експериментальними даними, а криву швидкості сушіння на основі обробітку попередніх.
Для рослинних сільськогосподарських матеріалів характерні три періоди сушіння: період прогріву, 1-й період (період постійної швидкості сушіння), 2-й період (період падаючої швидкості сушіння).
Характер зміни кривих залежить від багатьох факторів. У період прогріву матеріалу на кривій сушіння (ділянка АВ) характерне незначне падіння вологості Wn. Якщо вологість матеріалу менша рівноважного, можливе його зволоження – збільшення від початкового значення Wn. Таке явище можливе при сушінні товстого нерухомого шару у верхніх його шарах. У матеріалах з високою розвинутою поверхнею (у дрібнодисперсних матеріалах) період прогріву може бути або відсутній, або не чітко виражений.
Стадія прогріву матеріалу на температурній кривій характеризується ділянкою HF. Температура матеріалу зростає від початкового значення до температури середовища за мокрим термометром tc.c.. Таке значення температури відповідає температурі поверхні матеріалу
.
У середині матеріалу його температура буде дещо меншою , тому буде виникати температурний градієнт, який гальмує вологопередачу. При сушінні об'ємних матеріалів (наприклад, качанів кукурудзи) можна збільшувати площу контакту із оточуючим середовищем шляхом поділу качана на частини, зменшуючи градієнт температури.
Якщо початкова температура матеріалу вища температури мокрого термометра, то в початковій стадії відбувається охолодження матеріалу, і ділянка АВ кривої сушіння буде направлена випуклістю до вісі часу. Тоді початковий період буде періодом охолодження матеріалу. У деяких сільськогосподарських матеріалах і тонких матеріалах період прогріву незначний і його відтворити за експериментальними даними неможливо.
У період прогріву швидкість сушіння (ділянка ОМ) аналогічно температурній кривій різко зростає від нуля до максимально можливого для даних умов значення .
У рослинних сільськогосподарських матеріалах, як правило, високо розвинута поверхня випаровування, тому найважливішим можна вважати 1-й період, коли видаляється основна маса вологи і середньоінтегральне значення вологості наближається до кондиційного Wкон.. За такого значення сільськогосподарські матеріали можна зберігати тривалий час у процесі його подальшого обробітку.
Як видно з рис. 4.2, для всіх трьох кривих у цей період характерні прямолінійні ділянки. Крива сушіння (ділянка ВС) відображає інтенсивність вологовіддачі матеріалу, яка оцінюється кутом а. Для визначення швидкості сушіння використовується метод графічного диференціювання, отримуючи таким чином значення швидкості сушіння dW/d =tga. За отриманими значеннями будують пряму MN. Кут а проводять в точці переходу прямої ділянки ВС у криволінійну ділянку CD на кривій сушіння. Температура матеріалу також буде постійною і рівною температурі середовища за мокрим термометром
У цей період вся теплота затрачається на випаровування вологи з поверхні матеріалу, Температура поверхні матеріалу не зростає, і виникають умови міграції вологи із центру до поверхні окремих тіл.
Отже, в такому випадку швидкість процесу буде визначатись тільки умовами тепло- і вологообміну матеріалу з оточуючим середовищем і залежатиме від параметрів сушильного агенту (температури, його відносної вологості). Видалення вологи буде відбуватись аналогічно випадку видалення вологи з відкритої поверхні води. При цьому з матеріалу буде видалена основна маса вільної – частково зв'язної вологи. Подальше видалення вологи пов'язане із значними енерговитратами.
Вважається, що 2-й період (період падаючої швидкості сушіння) починається у т. К, яка відповідає першій критичній вологості. Цю точку ще називають першою критичною точкою. Крива сушіння у 2-ому періоді (ділянка CD) асимптотично наближається до рівноважної вологості Wp, а швидкість сушіння (ділянка MN) за криволінійним законом прямує до нуля.
Температура в період падаючої швидкості починає зростати і при досягненні матеріалом рівноважної вологості Wp дорівнює температурі сушильного агенту за сухим термометром . Аналогічно періоду прогріву, упродовж 2-ого періоду виникає градієнт температури в об'ємних тілах, який зникає після завершення процесу сушіння.
На сьогоднішній день для сушіння сільськогосподарських матеріалів найбільш ефективним є конвективний спосіб теплопередачі. При цьому, залежно від конструкції сушарки, в ній може бути використаний певний метод, який характеризує стан матеріалу в процесі сушіння.
Залежно від взаємного руху сушильного агенту і матеріалу розрізняють наступні методи (рис.4.3) сушіння: у нерухомому шарі, рухомому шарі, псевдозрідженому і завислому.
Рисунок 4.3 - Методи сушіння сільськогосподарських матеріалів
По відношенню до рухомого шару матеріалу характерні наступні переміщення сушильного агенту:
– протитечія;
– паралельна течія;
– перпендикулярна течія.
Вищеперераховані методи конвективного способу покладені в основу конструкції шахтних, барабанних і різного типу напільних сушарок. Для багатьох сільськогосподарських рослинних матеріалів, особливо малоспких, або зв’язних, оптимальними виявились сушарки напільного типу, які дають „м’які” режими роботи і при максимальній механізації високий ступінь використання потенціалу сушильного агенту за рахунок застосування елементів методу протитечії в процесі завантаження-вивантаження.