Главная Минимаркер Железнодорожный транспорт Минимаркер Транспортная энергетика (хладотранспорт) Минимаркер Динамика процесса сушки

Динамика процесса сушки

Страница 4 из 10

При оценке сушки с технологической точки зрения необходимо знать распределение влагосодержания и и температуры t в материале во времени. Нахождение нестационарных полей влагосодержания и температуры связано с решением дифференциальных уравнений влаго- и теплопереноса.

Общая система дифференциальных уравнений, описывающая влаго- и теплоперенос во влажных телах, во всех случаях сушки:

230314_f6

где 230314_f7 – оператор Лапласа.

В большинстве случаев процесс сушки происходит при мало изменяющемся давлении в материале, следовательно, можно допустить, что 230314_f8. Кроме того, как правило, приходится рассматривать распространение влаги в одном направлении х, то есть решать одномерную задачу. Тогда система уравнений существенно упрощается:

230314_f9

где ат = λт / (ст·ρ0) – коэффициент потенциалопроводности вещества; λт – коэффициент массопроводности, кг/(м·с·Па); ст – удельная массоемкость кг/(кг сухого воздуха·Па); ρ0 – плотность сухого материала, кг/м3; δt – термоградиентный коэффициент, l/град; с = с0 + 0,01ωcв – приведенная теплоемкость материала; с0, св – теплоемкость сухого вещества и воды; ε – коэффициент внутреннего испарения; ω – влагосодержание, %.

Все коэффициенты влаго- и теплопереноса (ат, δt, λ), а также термодинамические характеристики (с, r, ε) зависят от влагосодержания и температуры тела.

Граничные условия для одномерной задачи:

230314_f10

где mп (τ) – удельный поток влаги, переменный во времени; qu (τ) – удельный тепловой поток.

Начальные условия: τ = 0, и (х); t (x).

Решение уравнений (23), (24) при граничных условиях (25), (26) были выполнены для простейших тел, то есть для неограниченной пластины и цилиндра при делении процесса сушки на зоны, в которых коэффициенты влаго- и теплопереноса, а также термодинамические характеристики принимались постоянными для данной зоны. Анализ этих решений дает приближенную качественную характеристику распределения полей влагосодержания и температур в процессе сушки. Однако чаще всего приходится иметь дело с телами или материалами, состоящими из частиц произвольной формы с ограниченными размерами, поэтому наиболее надежные сведения о полях температур и влагосодержаний можно получить из опыта.

Произведем анализ результатов решений уравнений (23) – (26) и опытных данных. В первоначальных работах по сушке проводилась аналогия между процессами переноса теплоты и массы в твердом теле. Поэтому аналогично уравнению теплопроводности Фурье 230314_f11 записывалось уравнение массопроводности

230314_f12

где qm – плотность потока жидкости (иногда парожидкостной смеси), перемещающейся внутри тела, кг/(м2·с); 230314_f13 – градиент влагосодержания (влажности на сухую массу); 230314_f14 – оператор Гамильтона.

Однако, как показали дальнейшие исследования, на распространение влаги внутри материала влияет не только градиент влагосодержания 230314_f13, но и термодиффузия жидкой влаги. Показателем термодиффузии является температурный градиент 230314_f15 и соответствующий ему коэффициент термовлагопроводности, или термоградиентный коэффициент, δt. Необходимо отметить, что при низкотемпературной конвективной сушке многих материалов этот фактор не оказывает существенного влияния на скорость сушки, но при интенсификации процессов тепло- и массообмена, при высокотемпературных режимах радиационной и высокочастотной сушки температурный градиент способствует или препятствует распространению влаги внутри материала.

Уравнение переноса массы в этом случае с учетом термодиффузии влаги

230314_f16

Дифференциальные уравнения массо- и теплопроводности для одномерной задачи будут иметь вид уравнений (23) и (24).

Из равенства (28) видно, что если градиенты температур и концентраций влаги однозначны, то они способствуют продвижению влаги в материале в одном направлении – к поверхности испарения или вовнутрь тела. Если эти градиенты неоднозначны, то один из них способствует перемещению влаги к поверхности испарения, а другой препятствует этому перемещению. Степень влияния того или иного градиента на перемещение потока массы определяется в основном способом подвода теплоты, структурой тела и связью влаги с материалом.

На основе обобщения опытных данных при сушке пластин или материалов с плоской поверхностью испарения были построены кривые распределения влажности и температуры при разных способах подвода теплоты (рис. 3).

Распределения влажности и температуры в материале при различных способах подвода теплоты

Рис. 3 – Распределения влажности (сплошные линии) и температуры (штриховые) в материале при различных способах подвода теплоты: а – конвективном; б – контактном; в – радиационном; г – при сушке током в поле высокой частоты

Изменение влагосодержаний и температуры в материале, находящемся в потоке газа, при конвективной сушке показано на рис. 3, а. По расположению линий постоянного влагосодержания и и изотерм t в период сушки можно утверждать, что градиент влагосодержания способствует распространению влаги к поверхности испарения, а градиент температур в зависимости от кривизны изотерм в той или иной мере лишь затормаживает процесс и увеличивает продолжительность сушки. В целом за время сушки влагосодержание всех слоев материала снижается. Следовательно, для конвективной сушки можно записать (см. рисунок 3, а)

qm = qmuqmt. (29)

Материалы, высушиваемые на греющей поверхности (рисунок 3, б), во многих случаях имеют форму листа, толщина которого весьма невелика по сравнению с остальными его размерами. Для тел такой формы без особых погрешностей поля влагосодержаний и температур можно считать одномерными. Если до сушки можно полагать, что влагосодержание и0 по всей толщине материала одинаково, то в период нагревания происходит перераспределение влаги. На какой-то глубине от поверхности испарения влагосодержаиие возрастает до наибольшей величины. Образуются градиенты Δи, способствующие и препятствующие распространению влаги к поверхности испарения. Во второй период сушки на кривых наблюдаются резкие изгибы, свидетельствующие о перемещении зоны испарения внутрь материала. Максимум влагосодержания в течение времени сдвигается к открытой поверхности. Температурные кривые в течение всего процесса сушки имеют максимум в зоне контакта и минимум на открытой поверхности. Поток массы приближенно

qm = qmtqmu1­ + qmu2. (30)

На рисунке 3, в показан характерный график распределения полей температур и влагосодержаний при радиационной сушке или сушке инфракрасными лучами. Для удаления влаги из камеры радиациоиной сушилки в нее, как правило, подается газообразная среда. Таким способом целесообразно сушить капиллярно-пористые тела, вглубь которых частично проникают тепловые лучи на глубину от 1 до 7 мм (в зависимости от свойств материала). Проникновение тепловых лучей в тело особенно заметно в период падающей скорости сушки (tк).

В начальный момент поле температур в теле формируется и развивается значительно быстрее, чем поле влагосодержаний, поэтому под влиянием δtΔt происходит частичное смещение влаги к центру. В процессе последующего подвода теплоты направления градиента температуры 230314_f15 градиента влагосодержания 230314_f13 внутри тела противоположны. Величина 230314_f13 становится больше 230314_f17. Направление потока влаги изменяется в сторону поверхности испарения.

В период проникновения тепловых лучей фронт испарения влаги перемещается вглубь тела. Возникновение этого фронта способствует созданию однозначно действующих градиентов 230314_f13 и 230314_f17, способствующих перемещению влаги к поверхности.

Для основного периода радиационной сушки можно написать

qm = qmuqmt. (31)

Нагрев влажного материала токами высокой частоты происходит весьма интенсивно. Наиболее высокая температура создается внутри тела (рис. 3, г). Вода начинает испаряться во всем объеме при tм > 60 °С. Опережающее парообразование в центральных слоях создает градиент общего давления, который является основной движущей силой переноса пара внутри тела. Сформировавшееся в теле поле температур под воздействием токов высокой частоты способствует движению влаги к поверхности испарения в жидкой фазе. Кроме того, в переменном электрическом поле имеет место перенос влаги под действием термодинамической силы Е. Всем положительным факторам, воздействующим на перемещение влаги к поверхности тела, препятствует концентрационная диффузия, градиент влагосодержания. Таким образом, поток влаги в этом варианте сушки

230314_f18

Отсутствие экспериментальных данных по электродиффузии влаги (ат,э·ρ0·Е) не позволяет оценить значение электродиффузиоиного потока влаги в общем потоке, поэтому при расчете сушки током в поле высокой частоты этой величиной пренебрегают. Система дифференциальных уравнений тепло- и влагопереноса при высокочастотной сушке:

230314_f19

где Qυ – 0,555·Е2·ν·ε·tg δ – источник теплоты; ар = Кр / (св·ρ0) – коэффициент конвективной диффузии; св – объем тела по отношению к объему влажного воздуха, прямо пропорционален пористости П; Е – напряженность внешнего электрического поля; ν – частота; ε – диэлектрическая постоянная; δ – угол диэлектрических потерь.


© 2013 - 2017 Учебно-образовательный портал "Все лекции"
Материалы, представленные на страницах нашего сайта, созданы авторами сайта, присланы пользователями, взяты из открытых источников и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Все авторские права на материалы принадлежат их законным авторам.
Разработка сайта - Скобелев Алексей





Яндекс.Метрика