На головну

Тема лекції 6 Принцип складання енергетичного (теплового) балансу

  1.  I. Загальні принципи побудови І ФУНКЦІОНУВАННЯ кроків і декадно-крокова АТС
  2.  I. Принцип «не нашкодь» (модель Гіппократа).
  3.  I. Принципи
  4.  I. ПРИНЦИПИ
  5.  I. Специфіка відносин "принципал - агент" стосовно до держави.
  6.  I. Цінності і принципи
  7.  II. Основні принципи

Енергетичний (теплової) баланс будь-якого апарату може бути представлений у вигляді рівняння, що зв'язує надходження та витрачання енергії (тепла) процесу (апарату). Енергетичний баланс складається на основі закону збереження енергії, відповідно до якого в замкнутій системі сума всіх

видів енергії постійна. Зазвичай для хімічних процесів складається тепловий баланс. Рівняння теплового балансу:

 

Qпр = Qрасх або (6.1)

 

Qпр - Qрасх = 0 (6.2)

 

Стосовно до теплового балансу закон збереження енергії формулюється так: прихід теплоти в даному апараті (або виробничої операції) має дорівнювати витраті теплоти в тому ж апараті (або операції).

Для апаратів (процесів) безперервної дії теплової баланс, як правило, складають на одиницю часу, а для апаратів (процесів) періодичної дії - на час циклу (або окремого переходу) обробки. Тепловий баланс розраховують за даними матеріального балансу з урахуванням теплових ефектів (екзотермічних і ендотермічних) хімічних реакцій і фізичних перетворень (випар, конденсація і т. П.), Що відбуваються в апараті з урахуванням підведення теплоти ззовні і відведення її з продуктами реакції, а також через стінки апарату. Тепловий баланс подібно матеріального висловлюють у вигляді таблиць, діаграм, а для розрахунку використовують таке рівняння

 

Qт + Qж + Qг + Qф + Qр + Qп = Q'т + Q'ж + Q'г + Q'ф + Q'р + Q'п (6.3)

 

де Qт, Qж, Qг - кількість теплоти, що вноситься в апарат твердими, рідкими і газоподібними речовинами відповідно; Q'т, Q'ж, Q'г-кількість теплоти, що буря з апарату виходять продуктами і напівпродуктами реакції і не прореагував вихідними речовинами в твердому, рідкому і газоподібному вигляді; Qф і Q'ф -теплота фізичних процесів, що відбуваються з виділенням і поглинанням (Q'ф) теплоти; Qр і Q'р - кількість теплоти, що виділяється в результаті екзо і ендотермічних реакцій (Q'р); Qп - кількість теплоти, що підводиться в апарат ззовні (у вигляді димових газів, нагрітого повітря, спалювання палива, електроенергії і т. П.); Q'п -втрати тепла в навколишнє середовище, а також відвід тепла через холодильники, поміщені усередині апарату. Величини Qт, Qж, Qг, Q'т, Q'ж, Q'г розраховують для кожного речовини, що надходить в апарат і виходить з нього за формулою:

 

Q = Gсt (6.4)

 

де G - кількість речовини, з - середня теплоємність цієї речовини; t - температура, відрахувавши від будь-якої точки (зазвичай від 00С).

Теплоємності газів в Дж / (кмоль · К), що беруть участь в процесі, для даної температури в 0С (або Т, К) можна підрахувати, користуючись формулою:

 

З = а0 + а1Т + а2Т2 (6.5)

 

коефіцієнти а0, а1, а2 - Наведені в довідниках. Найчастіше доводиться мати справу із сумішами речовин. Тому в формулу (3.4) підставляють теплоємність суміші Зсм, Яка може бути обчислена за законом адитивності. Так, для суміші трьох речовин в кількості G1, G2 і G3, Що мають теплоємності з1, з2 і з3

 

ССМ = G1с1 + G2 с2 + G3 с3/ G1 + G2 + G3 (6.6)

 

Сумарна теплота фізичних процесів, що відбуваються в апаратах, може бути розрахована за рівнянням:

 

Qф = G1r1 + G2 r2 + G3 r3 (6.7)

 

де r1, r2 і r3 - Теплота фазових переходів; G1, G2 і G3 - Кількості компонентів суміші, що зазнали фазові переходи в даному апараті.

Кількість членів у правій частині рівняння (6.7) має відповідати числу індивідуальних компонентів, що змінили в апараті свій фазовий стан.

Аналогічно розраховується витрата теплоти на ті фізичні процеси, які йдуть з поглинанням теплоти (Q'ф): десорбція газів, пароутворення, плавлення, розчинення і т. П. Теплові ефекти хімічних реакцій можуть бути розраховані на основі теплот освіти або теплот згоряння речовин, що беруть участь в реакції. Так, згідно із законом Гесса тепловий ефект реакції визначається як різниця між теплотамі освіти всіх речовин в правій частині рівняння і теплотамі освіти всіх речовин, що входять в ліву частину рівняння.

Наприклад, для модельної реакції: А + В = D + F + qр ізобарний тепловий ефект буде:

 

qр = qобр D + qобр F - (Qобр А + qобр В) (6.8)

 

Ізобарну теплоти освіти з елементів різних речовин qобр (Або -?Н0) Наведені в довідниках фізико-хімічних, термохімічних або термодинамічних величин. При цьому в якості стандартних умов прийняті: температура 250С, тиск 1.01 * 105Па і для розчинених речовин концентрація 1 моль на 1 кг розчинника. Гази і розчини передбачаються ідеальними.

Тепловий ефект реакції також дорівнює сумі теплот утворення вихідних речовин за вирахуванням суми теплот утворення продуктів реакції:

 

Н = (? Нобр)вих - (? Нобр)прод (6.9)

Для визначення залежності теплового ефекту реакції від температури застосовується рівняння Нернста:

 

qр = Q.р + ?а0Т + (- 1 / 2?а1Т 2) + (- 1 / 3?а2Т3) (6.10)

 

де. а0,. а1,. а2 - Різниці відповідних коефіцієнтів рівняння (6.5) для продуктів реакції і вихідних речовин. Значення цих коефіцієнтів для окремих реакцій наведені в довідниках.

Підведення теплоти в апарат Qп можна враховувати по втраті кількості теплоти теплоносія, наприклад, що гріє води (Gв і св)

 

Qп = Gвсв(tнач - tкон) (6.11)

 

пара Qп = Gr (6.12)

 

або ж за формулою теплопередачі через греющую стінку:

 

Qп = kТ F (tr - tх).? (3.13)

 

де kТ - Коефіцієнт теплопередачі; F -поверхня теплообміну; tr - Середня температура гріє речовини (води, пара); tх -середня температура нагрівається речовини в апараті; r -теплота випаровування; . ?-час.

З цієї та інших формулами теплопередачі можна також розрахувати відведення теплоти від реагує суміші в апараті або втрату теплоти в навколишнє середовище Q'п. Цю статтю витрат теплоти часто обчислюють по зміні кількості теплоти холодоагенту, наприклад, охолоджуючої води або повітря. Теплоту, що отримується при спалюванні палива або при перетворенні електричної енергії в теплову, підраховують за формулами:

 

для полум'яних печей Qп = В Qн р (6.14)

для електричних печей Qп = N. (6.15)

 

де В - витрата палива, м3/ С або кг / с; Qрп - Нижча теплота згоряння палива, дж / м3 або Дж / кг; N - потужність печі, Вт; . - Розмірний коефіцієнт. При підрахунках теплоти згорання палива по його елементарному складу в технічних розрахунках найчастіше використовують формулу Менделєєва

 

Qрн = 339.3С + 1256Н - 109 (О - S) - 25.2 (9Н + W) (6.16)

 

Де С, Н, О, S - відповідно вміст вуглецю, водню, кисню і сірки,% мас .; W - вміст вологи в робочому паливі (з урахуванням змісту в ньому А% золи, N% азоту),% мас. Вища теплота згоряння Qрв обчислюється за умови, що вся вода, що утворилася при згорянні, волога, спочатку міститься в паливі, конденсується з газів, що відходять в рідину і охолоджується до початкової температури, з якої надходить паливо в топку визначається за формулою:

 

Qрв = Qрн + 25.2 (9Н + W) (6.17)

 

На основі елементарного складу палива, теоретичний витрата повітря G (в кг на 1 кг палива) розраховується за рівнянням

 

Gтеор. = 0.116с + 0.348Н + 0.0135 (S - О) (6.18)

 

Кількість тепла, внесеного вологим повітрям, Iпов, Можна підрахувати за формулою:

 

Iпов =. Gтеор(1.02 + 1.95х) tпов. (6.19)

 

де Gтеор- Теоретичний витрата повітря (в кг), що йде на спалювання 1 кг робочого палива; . - Коефіцієнт надлишку повітря (практично зазвичай для твердого палива. Береться від 1.3 до 1.7); 1.02 - питома теплоємність повітря; 1.95 - питома теплоємність водяної пари; х - вологовміст повітря (в кг) на 1 кг сухого повітря; tпов - Температура повітря, що надходить на згоряння.

Контрольні питання

5. Що розуміють під тепловим балансом апарату.

6. Розрахунок теплового балансу.

7. Екзотермічний і ендотермічних процеси.

8. Теплоємність газів. закон Гесса

Тема лекції 7. ??Сушка будівельних матеріалів. Класифікація сушарок. Основні поняття. Види зв'язку вологи з матеріалом. Крива сушіння і крива швидкості сушіння вологих матеріалів.

сушінням називають термічний процес видалення вологи з твердих матеріалів шляхом її випаровування. Процес сушіння виробів і матеріалів супроводжується зміною обсягу, яке називають усадкою. За рахунок видалення вологи частки матеріалу зближуються і розміри матеріалу або виробу зменшуються. При зміні обсягу (усадки) матеріал деформується, можливі викривлення і розтріскування виробів.

Процес теплової сушіння може бути природним і штучним. Природна сушка застосовується рідко. За фізичної сутності сушка є складним дифузійним процесом. Його швидкість визначається швидкістю дифузії вологи з глибинних частин матеріалу до поверхні, а потім в навколишнє середовище. Видалення вологи при сушінні включає не тільки перенесення матеріалу, але і перенесення тепла, таким чином є теплообмінних і масообмінних процесів. За способом підведення тепла до висушують матеріалу сушку ділять:

1) Контактна - шляхом передачі тепла від теплоносія до матеріалу через роздільну стінку;

2) Конвективная - шляхом безпосереднього зіткнення висушується з сушильним агентом. В якості якого використовують: підігрітий повітря, топкові гази або топкові гази з повітрям;

3) Радіаційна - шляхом передачі тепла інфрачервоним випромінюванням;

4) Діелектрична - в полі струмів високої частоти;

5) сублімації - в замороженому стані в вакуумі.

Висушуваний матеріал при будь-якому методі сушки знаходиться в контакті з вологим повітрям або газом. При конвективного сушіння вологому повітрю відводиться основна роль. Тому необхідно чітко уявляти якими параметрами описується повітря.

Класифікація сушарок. Сушка матеріалів, напівпродуктів або готових виробів використовується практично на всіх стадіях виробництва будівельних матеріалів, виробів та конструкцій.

Для сушіння застосовують різноманітні сушарки, що відрізняються по ряду ознак які покладені в основу класифікації, наведеної нижче:

 

Таблиця - 7.1

 ознака класифікації  типи сушарок
 Тиск в робочому просторі.  Атмосферні, вакуумні, під надлишковим тиском.
 2.  Режим роботи.  Періодичного і непериодического дії
 3.  Вид теплоносія.  Повітряні, на димових або інертними газами, на насиченому або перегрітому парі, на рідких теплоносіях.
 4.  Напрямок руху теплоносія відносно матеріалу.  Прямоточні, протиточні, з перехресним струмом, реверсивні.
 5.  Характер циркуляції теплоносія  З природною і примусовою циркуляцією.
 6.  Спосіб нагрівання теплоносія.  З паровими воздухонагревателями, з топковим пристроями, з електронагрівачами, комбіновані
 7.  Стислість використання теплоносія.  Прямоточні або рециркуляційні.
 8.  Спосіб видалення вологи з сушарки.  З відходить теплоносієм, з продувальним повітрям, компенсаційні, з хімічним поглинанням вологи.
 9.  Спосіб підведення тепла до матеріалу. .  Конвективні, контактні, з нагріванням струмами високої частоти, з променистим нагріванням, з акустично або ультразвуковим нагріванням
 10.  Вид висушується.  Для крупно дисперсних, тонкодисперсних, пилоподібних, стрічкових, пастоподібних, рідких розчинів або суспензій.
 11.  Гідродинамічний режим.  З щільним нерухомим шаром, перемішують шаром, взвешаной шаром (псевдозрідженому шар, закручені потоки), з розпиленням в потоці теплоносія
 12.  Конструктивний тип сушарки.  Камерні, шахтні, стрічкові, барабанні, трубні і т. Д.

Барабанна сушарка. Вона являє собою зварений циліндр - барабан, на зовнішній поверхні якого укріплені бандажні опори, кільця жорсткості і приводний зубчастий вінець; Вісь барабана може бути нахилена до горизонту на 40 - 60 Барабние атмосферні сушарки безперервної дії призначені для сушіння сипучих матеріалів топковими газами або нагрітим повітрям. Усередині барабана встановлюють насадки, конструкція яких залежить від властивостей матеріалу, що висушується. З боку завантажувальної камери многозапорная гвинтова насадка, з числом спіральних лопатей від шести до шістнадцяти залежно від діаметра барабана. При сушінні матеріалу з великою адгезією до поверхні на початковій ділянці останнього закріплюють ланцюга, за допомогою яких руйнують камки і очищають стінки барабана. Для цієї ж мети можуть застосовувати ударні пристосування, розташовані з зовнішньої сторони барабана.

У сушарках діаметром 1000 - 1600 мм для матеріалу з хорошою сипучістю і середнім розміром частинок до 8 мм встановлюють секторну насадку. У тих же сушарках, для матеріалів, що володіють підвищеною адгезією або сипучих матеріалів із середнім розміром частинок більше 8 мм встановлюють підйомне - лопатеві пристрої. У сушарках діаметром 1000 - 3500 мм для матеріалів схильних до налипання, але відновлюють сипучі властивості в процесі сушіння спочатку встановлюють підйомне - лопатеві перевалочні пристрої, а потім секторні насадки.

Основний матеріал для виготовлення барабанів сушарок, завантажувальних і розвантажувальних камер - вуглецеві стали. У технічно обгрунтованих випадках додаткове виготовлення барабанів, розвантажувальних і розвантажувальних камер частково або повністю з жаростійких сталей спеціальних марок.

Барабанні вакуумні сушарки працюють, як правило, періодично і їх застосовують для сушіння термочутливих матеріалів від води і органічних розчинників, а також для сушіння токсичних матеріалів. Залежно від властивостей матеріалу і вимог до готової продукції застосовують сушарки середнього або глибокого вакууму. Вакуумні барабанні сушарки застосовують в основному у виробництві полімерних матеріалів.

 

Малюнок 7.1 - Барабанний сушильна установка:

1-металевий барабан; 2 - тічка для завантаження матеріалу; 3 - приймальня камера; 4-газова топка; 5 - камера змішувача; 6 '- вікно для подачі холодного повітря; 7-циклон; 8 - вентилятор; 9 - сталеві бандажі; 10 опорні ролики; 11 - венцових колесо; 12 - подвенцовая шестерня; 13 - редуктор; 14 - електродвигун

 

Розпилювальна сушарка застосовується для сушіння пастоподібних і рідких матеріалів. У ній висушуваний матеріал розпорошується в гарячому газі (повітрі). Розпилювання проводиться форсунками (механічними або пневматичними) або відцентровими дисками.

При механічному розпилюванні розчин солі, наприклад оцтовокислого кальцію, нагнітається в форсунках під тиском від 30 до 200 атм. Розмір крапель при розпилюванні залежить від тиску рідини, діаметра вихідного отвору, в'язкості рідини і т. Д., І коливається в межах від 20 до 100 мк. На розміри крапель впливає головним чином турбулізація рідинної струменя, яка створюється підвищенням швидкості закручування струменя газу пальника. Схеми двох механічних форсунок представлені на малюнку 7.1. На малюнок 7.2а наведена конструкція форсунки, призначеної для розпилювання висококонцентрованих розчинів і виконаної з легованої сталі. Форсунка складається з корпусу 1, головки форсунки 2 і диска 3. Насадка змінна, що дозволяє змінювати діаметр вихідного отвору від 0,8 до 1,5 мм.

На малюнок 4.2б представлений інший тип механічної форсунки, що складається з корпусу 1, який нагвинчується на живильну головку 2 і закріплюється контргайкою 4. Розчин проходить через вісім отворів диска 3 і три тангенціальних каналу диска 5, закручується в центральній камері диска і через отвір в диску 6 видавлюється назовні.

 

1 - корпус; 2 - живить головка; 4 - контргайка; 3, 5, 6 - диск.Малюнок 7.2-Механічні форсунки.

Механічні форсунки відрізняються високою продуктивністю, безшумністю роботи, дають тонкий і рівномірний розпил. Продуктивність форсунок при сушінні до 600 кг / год, хоча форсунка може розпилюють до 4,5 т / год продукту. Витрата енергії на розпорошення від 2 до 10 кВт на тонну розчину. До недоліків форсунок слід віднести неможливість регулювання продуктивності форсунки і швидку засоряемость вихідних отворів (  0,5 мм). Ці форсунки не придатні для обробки суспензій, паст, розчинів, що дають опади.

При відцентровому методі розпилювання можна регулювати продуктивність сушарки і неважко її автоматизувати. Недоліком же його є підвищена вартість в порівнянні з розпилюванням за допомогою сопел.

Розпилення за рахунок відцентрової сили здійснюється шляхом подачі розчину на швидко обертається диск. Під дією відцентрової сили розчин рухається на периферію диска і за допомогою лопаток або сопел виштовхується в камеру. Швидкість обертання диска становить від 4000 до 20000 об / хв. Окружна швидкість диска вибирається до 200 м / с. Розпилюючі диски приводяться в обертання або від електродвигуна, або від парової турбіни.

Існує багато різновидів розпилюють дисків, застосовуваних для різних рідин (гладкі, з тангенціальними лопатками, багатоярусні, диски з соплами і т. Д.) (Рисунок .7.3). При сушінні порошків карбіду кремнію розпилювач складається з двох дисків, покритих карбідом бору і т. Д.

 

а Б В Г) а) - тарільчасте відкритий; б) - клапанний закритий; в) - плоский закритий з зубами; г) - триярусні з перегородками і зубамиМалюнок 7.3- Типи розпилювальних дисків.

Середній діаметр крапель в дискових розпилювачах можна підрахувати за формулою Фрасер, Ейзенклама, Домбровського:

 , (7.1)

де  - Вагова продуктивність, кг / год; v0,2 ж- Кінематична в'язкість, м2/ С; ?- поверхневий натяг, кг / м; DД- Діаметр диска, м; x - змочений периметр диска, що дорівнює добутку числа лопаток на їх висоту, м; n- Швидкість обертання диска, об / хв; ?ж- Питома вага розчину, кг / м3.

 

1 - камера; 2 - рукавні фільтри; 3 розпилювальний диск; 4 - вентилятор; 5 - скребки.Малюнок 7.4- Розпилювальна сушарка (розпил відцентровим диском).

На малюнку 7.4 зображена схема найбільш поширеною розпилювальної сушарки, що працює при паралельному струмі газу і частинок. Нагріте повітря надходить у верхню частину камери 1. Тут він зустрічається з краплями або шматочками матеріалу, що розпилюється обертовим диском 3 або іншим пристроєм.

 

1 - сушильна камера; 2 - механічна форсунка; 3 - введення повітря; 4 - фільтр; 5,10 - вентилятори; 6 - підігрівач; 7 - циклон; 8 - топка; 9 - скребки; 11 - скрубер; 12,13 - насос.Малюнок 7.5- Розпилювальна сушарка (розпил механічної форсункою).

Завдяки розвиненій поверхні зіткнення матеріалу з газом, сушка протікає дуже швидко - на льоту, і на дно сушарки падає вже повністю висушений матеріал. Звідси він скребками 5 подається в розвантажувальний шнек або інше герметизоване розвантажувальний пристрій. Повітря, насичений паром, відсмоктується вентилятором 4 з нижньої частини сушарки через рукавні фільтри 2, як на малюнку 15, або інший пилоуловлювальний апарат. Паралельний струм створює можливість застосовувати для сушіння високу температуру газу, збільшуючи швидкість сушіння, без перегріву висушується.

Незважаючи, однак, на велику швидкість процесу (кількість води, що випарувалася в одиницю часу з одиниці поверхні матеріалу), інтенсивність роботи розпилювальних сушарок (кількість води, що випарувалася в одиницю часу в одиниці об'єму апарату) невелика, оскільки на одиницю об'єму апарату одночасно доводиться порівняно невелика маса матеріалу .

При роботі розпилювальних сушарок спостерігається великий винесення висушеного матеріалу газами, т. К. Матеріал в процесі сушіння знаходиться в дрібно розпиленому стані. Тому значна частина продукту вловлюється з газу в циклонах, рукавних фільтрах, електрофільтрах.

Розпилювальні сушарки переважне застосування мають в наступних випадках:

1. Матеріал не переносить тривалого нагрівання. Процес сушки протікає дуже швидко (від десятих часток до декількох секунд) і тому навіть чутливі до нагрівання матеріали, наприклад, харчові продукти: молоко, яєчний порошок і ін., Не встигають розкладеться при висушуванні.

2. Неприпустимо окислення матеріалу, наприклад при сушінні металевих порошків. Через короткочасного нагрівання матеріал в процесі сушіння не встигає окислюватися.

3. Сушиться пастоподібний, залипающий матеріал. Сушка його на льоту запобігає залипання стінок. Розпилення рідких матеріалів відцентровим диском обумовлює розкид крапель на стінки камери.

малюнок 7.6-Розпилювальна сушарка

 

Однак, після деякої межі підвищення швидкості обертання диска (4000-20000 об / хв) таке налипання припиняється. Це відбувається, мабуть, через дуже дрібного розпилення рідини, при якому краплі або не долітають до стінок, або висихають настільки швидко, що навіть долетіли частки не налипають.

Види зв'язку вологи з матеріалом. Крива сушіння і крива швидкості сушіння вологих матеріалів.

Оскільки сушка є типовим тепло- і масообмінних процесів, то її кінетика буде визначатися в першу чергу формою зв'язку вологи з матеріалом. Залежно від величини енергії зв'язку вологи (води) з сухим речовиною матеріалу розрізняють (за класифікацією П. а. Ребиндера) такі форми:

а) Хімічна (іонна і молекулярна) зв'язок. Вода в цьому випадку входить до складу молекули даного хімічної сполуки в суворо визначених стехиометрических співвідношеннях (вода кислот, підстав, кристаллогидратов). Хімічно зв'язана вода може бути виділена з молекули сполуки за допомогою хімічної реакції або прожарювання. У процесі сушіння вона не видаляється.

б) Фізико-хімічна (адсорбційна і осмотична) зв'язок включає вологу, поглинену в вигляді пара з навколишнього газового середовища і утримувану на поверхні речовини під дією її молекулярного силового поля (адсорбована вода), а також вологу, що входить до складу рослинних і тваринних клітин ( осмотическая).

в) Фізико-механічно зв'язана вода є рідиною, захоплену при утворенні структури гелю, що знаходиться в порах і макрокапилляров матеріалу, з також вологу змочування, обумовлену прилипанием води при безпосередньому зіткненні її з поверхнею тіла.

До макрокапилляров відносяться такі, які не володіють капілярними властивостями, в них не спостерігається зміни тиску пара в порівнянні з його значенням для вільної рідини. Вважається, що радіус макрокапилляров R> 10-5 см.

Фізико-механічно зв'язана волога називається вільною і може бути видалений навіть механічним шляхом.

Необхідно відзначити, що різкого розмежування між окремими видами зв'язку рідини з тілом не існує: одна форма зв'язку поступово зменшується за рахунок переважання інший.

 

Таблиця 7.2- Форми зв'язку вологи з матеріалом

 Види вологи, що знаходиться в матеріалі  природа зв'язку  Сили, що утримують вологу в матеріалі  Агрегатний стан, в якому волога переміщається в матеріалі при сушінні  Группапо прочностісвязі
 хімічно зв'язана  Хімічна  сили валентності  При сушінні не видаляється  
 адсорбційна  Фізико-хімічна  молекулярні сили  У вигляді пари  Фізіческісвязаннаявлага
 Мікрокапілярная  Фізико-механічна  Сили капілярного тиску  У вигляді пари  Фізіческісвязаннаявлага
 Макрокапіллярная  Фізико-механічна  Сили капілярного тиску  У вигляді пари  вільна волога
 осмотична  Фізико-хімічна  Сили внутрішньої енергії  У вигляді рідини  вільна волога
 структурна  Фізико-хімічна  механічні сили  У вигляді рідини  вільна волога

При дослідженні процесу сушіння мають справу з фізико-хімічної і фізико-механічної формами зв'язку вологи з матеріалом. Кількісно вміст вологи в матеріалі оцінюється його вологістю. Розрізняють відносну вологість (w), т. Е. Масу вологи, що міститься в матеріалі (W, кг), віднесену до загальної маси зразка (G, кг).

 

 (7.2)

і абсолютну вологість (wс), Яка визначається по відношенню до 1 кг абсолютно сухої речовини в досліджуваному матеріалі (G, кг)

 (7.3)

І відносна і абсолютна вологості виражаються в частках одиниці або у відсотках. При аналізі процесу сушіння зручніше користуватися абсолютною вологістю, т. К. Кількість абсолютно сухої речовини в зразку при будь-яких умовах залишається постійним.

При розрахунку вологості за формулами (7.2) і (7.3) виходить її середнє значення в даному матеріалі. Значення відносної w і абсолютної wсвлажностей зв'язані наступними залежностями:

 , (7.4)

 , (7.5)

При дослідженні кінетики сушіння необхідно встановити вплив на швидкість протікання процесу різних зовнішніх і внутрішніх факторів. Швидкість сушіння визначається зменшенням вологості dwc за деякий нескінченно малий відрізок часу dt, т.e.

 , (7.6)

або для кінцевих відрізків часу швидкість сушіння визначається кількістю вологи (DW), віддаленої пo відношенню до 1 кг абсолютно сухої речовини матеріалу (Gас) В одиницю часу (Dt) і середня швидкість вданому випадку буде дорівнює

 , (7.7)

Слід відрізняти швидкість сушіння від інтенсивності сушіння, яка визначає масу вологи (d?), вилучену з одиниці поверхні матеріалу (F) за одиницю часу (dt). При аналізі процесу зручніше користуватися поняттям швидкості сушіння, т. К. Справжню поверхню матеріалу найчастіше визначити дуже важко. Крім того, в процесі висушування вона може змінюватися (зменшуватися) для матеріалів дають усадку.

Механізм переносу речовини всередині твердої фази складний, так як частина вологи випаровується всередині матеріалу і переміщення її до поверхні відбувається у вигляді рідини і пара одночасно за рахунок дії різних сил. Для рідкої фази це капілярні, осмотичні, гравітаційні, термокапіллярние і ін. Сили, а для парової фази - молярний перенесення, молекулярна дифузія, бародіффузія, термодифузія. Питома вага потоків фаз і діючих сил залежить від великої кількості факторів, що включають в себе як внутрішні пов'язані зі структурою матеріалу, що висушується тіла, так і зовнішні - параметри процесу і властивості сушильного агента. Крім того, співвідношення потоків і сил змінюється з перебігом процесу. Все це створює складну картину перенесення, не піддається аналітичному розрахунку, заснованого на кількісному аналізі складових її процесів переносу вологи.

Кінетика сушіння вологого матеріалу зазвичай досліджується експериментально шляхом знаходження залежностей температури прогріву висушується t = f1(T), Кривої сушки і швидкості сушіння. У всіх цих залежностях легко встановити наявність трьох етапів протікання процесу.

малюнок 7.7Крива сушіння і прогріву висушується

 

На температурної кривої спочатку спостерігається прогрів матеріалу від температури, з якою він вноситься в сушарку (tн), До температури мокрого термометра (tм), відповідає температурі і вологості сушильного агента, що надходить в сушку (ділянка ab). Потім температура матеріалу залишається постійною, що дорівнює температурі мокрого термометра, до тих пір, поки не сумнівайся вся вільна волога (ділянка bc). Після цього відбувається поступове підвищення температур матеріалу і в кінці процесу сушіння вона може зрівнятися з температурою сушильного агента, що знаходиться в контакті з сухим матеріалом (ділянка сd).

У період прогріву матеріалу спостерігається порівняно повільне видалення вологи (ділянка АВ на кривій сушіння wс = f2 (T)). Потім умовно виділяють прямолінійний ділянку ВС, який називається першим періодом сушки. Він відповідає видаленню вільної вологи, що покриває поверхню матеріалу. Після чого починається видалення зв'язаної вологи (ділянка СД) - другий період сушіння. Точка С, що розділяє перший і другий періоди сушки, називається критичною точкою, а вологість матеріалу, відповідна їй - першої критичної вологістю. Кінцева вологість матеріалу (точка Д) характеризує його рівноважну вологість (wp) За даних умов сушіння.

За кривим сушки будуються криві швидкості сушіння, що представляють собою графічне вираження функції u = f3 (T), Або швидкості сушіння від абсолютної вологості зразка (див. Рис. 7.7). Швидкість сушіння визначається по кривій сушіння шляхом графічного диференціювання як тангенс кута нахилу дотичної, проведеної до кривої сушки в даній точці, до осі абсцис (кут a на рис. 7.8).

На кривій швидкості сушіння різняться ті ж періоди, що і на кривих сушіння і температури матеріалу. Початкова ділянка кривої АВ, відповідний збільшенню швидкості сушки, відповідає прогріванню матеріалу при приміщенні його в сушарку. За ним слідує горизонтальний відрізок ВС - період постійної швидкості сушіння, яка в даний час лімітується швидкістю зовнішньої дифузії (массоотдачи) вологи, т. Е. Її переходу з поверхні випаровування в навколишнє середовище. Швидкість сушіння в даний час буде залежати від температури і вологості сушильного агента, загального тиску в сушарці і гідродинаміки процесу.

малюнок 7.8 Крива швидкості сушіння u = f (wc)

 

У першій критичній точці (С) видаляється механічно зв'язана волога і настає другий період (відрізок ВС на рис. 7.7) Падающей швидкості сушіння. Для нього характерна зміна тиску водяної пари над поверхнею зразка залежно від вологості матеріалу, т. Е. Рм = F (wc), Що позначається на зменшенні величини рушійної сили процесу DР = Рм - Рп, Що веде до зниження його швидкості. Криві швидкості сушіння в період падаючої швидкості можуть бути різної конфігурації (лінії 1-5 рис. 7.8), з їхнього вигляду можна судити про форму зв'язку вологи з матеріалом. Так, лінія 1 є прямою, вона характерна для тонких пористих матеріалів (папір, тонкий картон, тканину і т. Д.). Лінія типу 2 відповідає сушінні колоїдних тіл, а лінія типу 3 пористих керамічних матеріалів. Всі ці лінії мають одну критичну точку С. Матеріалів, які мають більш складну структуру, властиві більш складні криві швидкості сушіння. Крива 4 характерна для сушіння глини, а крива 5 - сухарів. На цих кривих спостерігається друга критична точка Е, якій відповідає друга критична вологість (?КР2). У міру віддалення внутрішньої вологи матеріалу тиск водяної пари над його поверхнею зменшується, наближаючись в межі до величини парціального тиску парів води в сушильній агента (Рп ). Отже, рушійна сила процесу сушіння зменшується, наближаючись до нуля DР = Р н - Рп ® 0, і швидкість процесу асимптотично наближається до нуля.

Момент часу, коли тиск пари над поверхнею матеріалу дорівнюватиме парціальному тиску водяної пари в навколишньому середовищі, відповідає встановленню динамічної рівноваги води в матеріалі з вологою сушильного агента, рушійна сила процесу стає рівною нулю і сушка закінчується (т. Д, рис. 1, 2 ). Вологість матеріалу, відповідна т. Д, називається, рівноважної (wр ). Оскільки вона відповідає рівності Рм = Рп (Рм - Рп = 0), то на величину рівноважної вологості будуть впливати фактори, що впливають на значення Рм або Рп. До них відносяться: форма зв'язку вологи з матеріалом, загальний тиск в сушарці, вологість і температура сушильного агента.

Криві сушіння, швидкості сушки і прогріву матеріалу мають велике практичне значення. Вони дозволяють встановити час сушки, оцінити форми зв'язку вологи з матеріалом, вибрати оптимальний варіант і режим сушіння. Вони використовуються при проектуванні і розрахунку промислових сушарок.

Крива сушіння і крива швидкості сушіння вологих матеріалів. Зміна вмісту вологи матеріалу в часі висловлюють графічно. Цей графік називають кривою сушіння Припустимо, що на висушування надходить вологий матеріал в кількості (Gc+ W) Кг / год. Одночасно в сушильну камеру можуть вводиться транспортні пристосування (стрічковий транспортер, вагонетки і т. Д.), GT кг / год. Крім того, в сушилку вводиться L кг / ч абсолютно сухого повітря. Для підігріву повітря спочатку в калорифері, а потім в сушильній камері до нього підводяться кількості тепла відповідно QK і QД кДж / год.

позначимо:

Сс- Теплоємність висушеної частини вологого матеріалу, кДж / (кг.град);

СТ - Теплоємність транспортних пристосувань, кДж / (кг.град);

?- Температура що надходить на сушіння матеріалу, К;

?К- Температура матеріалу після сушіння, К;

?К - Температура транспортних пристосувань при вході в сушильну камеру, К;

tТН- Температура транспортних пристосувань при виході з сушильної камери, К;

Н0- Ентальпія повітря на вході в сушильну камеру, кДж / кг сухого повітря;

Н1- Ентальпія повітря після нагрівання в калорифері, кДж / кг сухого повітря;

Н2- Ентальпія повітря на вході з сушильної камери, кДж / кг сухого повітря;

QП - Втрати тепла в навколишнє середовище, кДж / ч.

Згідно зі схемою теплових потоків (рисунок 7.7), тепловий баланс процесу можна представити рівністю

 (7.7)

З цієї рівності можна визначити витрата тепла на сушку:

 (7.8)

Віднесемо всі витрати тепла до 1 кг випаровується при сушінні вологи і позначимо питомі витрати наступним чином:

; ;

 

;

Тоді попереднє рівняння матиме вигляд

 (7.9)

З цього рівняння випливає:

 (7.10)

При прийнятих позначеннях питома витрата тепла в калорифері можна також представити у вигляді

 (7.11)

і висловити загальна питома витрата тепла з рівняння (7.9) як

 (7.12)

а тепло, що вводиться додатково в сушильній камері, з рівнянь (7.11) і (7.12) як

 (7.13)

Останні три рівності використовують при визначенні витрати тепла на процес сушіння. З рівняння (7.12) випливає, що витрата тепла на сушку залежить головним чином від початкових і кінцевих параметрів повітря  крім того, він підвищується зі збільшенням різниці між початковою і кінцевою температурами висушується і з ростом тепловтрат в навколишнє середовище.

Зіставивши рівності (7.10) і (7.12) і виконавши перетворення, отримаємо:

 (7.14)

З огляду на рівність (11.19), маємо:

 або  (7.15)

Замість кінцевих значень H2 і X2 візьмемо будь-які проміжні значення і знайдемо

 (7.16)

Останнє рівняння є рівнянням прямої, т. Е. Залежність між параметрами и  в процесах сушіння прямолінійна.

Виходячи з заданого режиму сушіння, і витрат агента сушіння, визначають необхідну поверхню тепло- і масообміну матеріалу, що забезпечує задану продуктивність сушарки.

За величиною поверхні тепло- і масообміну знаходять габарити сушильної камери. При розрахунку промислових сушарок за експериментальними даними, отриманими на модельній установці, необхідно приділяти велику увагу можливості гідродинамічного і теплового моделювання. У деяких випадках вводять поправочні коефіцієнти на рівномірність розподілу матеріалу і агента сушіння по поверхні і об'єму сушильної камери, на рівномірність розподілу матеріалу в агента сушіння.

Наприклад, в сушарках з киплячим шаром малих розмірів (діаметром до 300 мм) отримують більш близьке до ідеального перемішування (без застійних зон), ніж в промислових сушарках діаметром до 5 м. Цим пояснюється те, що на модельних установках можна використовувати без перегріву матеріалу більш високі початкові температури агента сушіння в порівнянні з температурами в промислових установках. У малих розпилювальних сушарках можливо кращий розподіл диспергированного матеріалу і агента сушіння, ніж в промислових апаратах, тому об'ємні коефіцієнти теплообміну в першому випадку більш високі і т. П.

Розраховують кінетичні характеристики сущкі, для чого визначають кількість вологи W, що випаровується з одиниці поверхні F висушується за одиницю часу. Таким чином, швидкість сушіння являє собою відношення:

 , (7.17)

де ? - час сушки, с.

Знаючи швидкість сушіння, визначають тривалість періодичного процесу сушіння або поверхню матеріалу, що висушується при сушінні безперервним способом і встановлюють габаритні розміри сушильних апаратів.

Швидкість сушіння, як массообменного процесу, слід основного рівняння масопередачі, згідно з яким

 , (7.18)

де K - коефіцієнт масопередачі; ?ср- Середня рушійна сила процесу.

Як видно з розгляду статики сушіння, рушійна сила процесу сушіння визначається різницею тисків РН - РП т. е. різницею тиску парів вологи у поверхні матеріалу РН і парціального тиску пари в повітрі (або чистого пара) РП.

Розрізняють два періоди сушки: період постійної швидкості і період падаючої швидкості процесу.

Протягом першого періоду волога випаровується з усієї поверхні матеріалу так само, як вона випаровується з дзеркала випаровування деякого об'єму рідини. В цьому періоді швидкість сушіння постійна і визначається лише швидкістю зовнішньої дифузії, т. Е. Дифузії парів вологи з поверхні матеріалу в навколишнє середовище.

У другому періоді швидкість сушіння визначається внутрішньої дифузії - переміщенням вологи зсередини матеріалу до його поверхні. З початком другого періоду поверхню подсохнувшего матеріалу починає покриватися кіркою і поверхня випаровування вологи постійно зменшується, що призводить до збільшення опору внутрішньої дифузії і до безперервного зменшення швидкості сушіння.

Залежно від товщини і структури деяких матеріалів випаровування вологи з їх поверхні в кінці другого періоду припиняється зовсім і відбувається всередині матеріалу. Тому відповідно до характером видалення вологи, другий період сушки часто складається з двох стадій: стадії рівномірно падаючої швидкості і стадії нерівномірно падаючої швидкості.

Двом основним періодам передує деякий час прогріву матеріалу до температури сушки.

Кінетика сушіння визначається зазвичай шляхом зважування зразків матеріалу на початку сушіння та через певні проміжки часу. За вагою зразків розраховують абсолютну вологість матеріалу в різні моменти і будують криву залежності абсолютної вологості  від часу  , Яка називається кривою сушіння (рисунок 7.9).

малюнок 7.9 -Крива сушіння матеріалу і зміна його

температури в процесі сушіння.

З цієї кривої можна визначити швидкість сушіння. Швидкість сушіння, що характеризується зміною абсолютної вологості в одиницю часу, може бути знайдена для кожного даного моменту, як тангенс кута нахилу кривої сушки (наприклад,  для точки  на малюнку 172). Знайдені значення швидкості сушки наносять на графік як функцію абсолютної вологості, і отримують криву швидкості сушіння (рисунок 7.10). Графічне зображення процесу у вигляді кривих сушіння і кривих швидкості сушіння дає можливість встановити різні періоди його протікання.

Розглядаючи криві на малюнку 7.9 і 7.10 можна розрізнити перераховані вище періоди сушки матеріалу.

Період прогріву матеріалу (відрізок АВ на рисунку 7.10) є, як правило, короткочасним і характеризується несталим станом процесу. За цей період температура матеріалу підвищується до температури мокрого термометра  , Але його вологість  знижується незначно. Швидкість сушіння зростає і до кінця періоду прогріву досягає максимальної величини.

У період постійної швидкості (прямолінійний відрізок ВК1) Швидкість процесу є найбільшою, температура матеріалу .

Початкова точка К1 періоду падаючої швидкості (відрізок До1К2С) називається першою критичною точкою, а вологість матеріалу ? 'KP в цій точці - першої критичної вологістю.

 

 

малюнок 7.10- Крива швидкості сушіння.

 

Період падаючої швидкості складається, в свою чергу, з двох стадій: рівномірно падаючої швидкості (прямолінійний відрізок До1К2 на малюнку 7.10) і нерівномірно падаючої швидкості (крива До2С).

точка К2 називається другий критичною точкою, а відповідна їй вологість матеріалу - другий критичної вологістю ? "KP. До кінця другого періоду температура матеріалу підвищується і досягає температури повітря tBабо середовища життє, що оточують матеріал. Одночасно вологість матеріалу знижується до рівноважної по всій його товщині. З моменту досягнення рівноважної вологості швидкість сушіння стає рівною нулю. При подальшому перебуванні матеріалу в сушарці його вологість залишається постійною (відрізок С на малюнку 7.9).

Для різних матеріалів окремі періоди сушки можуть бути різні за часом або бути відсутнім зовсім. Так, при сушінні плоских пластин процес закінчується етапом рівномірно падаючої швидкості (лінія процесу АВК 1 К 2 на малюнку 7.10)

Тривалість сушіння матеріалу досить точно можна встановити тільки досвідченим шляхом. Загальну тривалість процесу визначають розрахунком як суму тривалості сушіння в період постійної швидкості і тривалості її в період падаючої швидкості, приймаючи, що падіння швидкості сушіння в другому періоді відбувається прямолінійно.

Тривалість сушіння в окремі періоди визначають за такими формулами

в період постійної швидкості

 (7.20)

в період падаючої швидкості

 (7.21)

Відповідно загальна тривалість сушіння може бути наближено визначена за рівнянням

 , (7.22)

де: W1, W2 и WP - Початкова, кінцева і рівноважна вологість матеріалу, кг вологи на 1 кг сухої речовини; WKP - Перша критична вологість матеріалу (в кінці першого періоду сушки).

Вхідна в рівняння (7.22) величина C називається коефіцієнтом сушіння і виражається кількістю кг испаренной вологи в сек, а саме в 1 кг сухої речовини.

Позначаючи кількість испаренной вологи W кг, кількість сухої речовини в висушують матеріалі G сухий кг і час сушки ?, Отримаємо такий вираз для коефіцієнта сушіння:

 

 (7.23)

де ? - Коефіцієнт массоотдачи в газовій фазі, кг / м2с f - Питома поверхня сухого речовини, м2/ Кг абсолютно сухої речовини; ? ср - Середня рушійна сила, яка дорівнює середній різниці вологовмісту повітря в насиченому і робочому станах.

При змінних параметрах повітря величина ? ср з достатньою для технічних розрахунків точністю може бути визначена як середня логарифмічна різниць влагосодержания матеріалу і повітря на початку і в кінці кожного періоду сушки.

Для визначення Nur можна користуватися критеріальним рівнянням:

 (7.24)

Визначальним розміром при обчисленні Nur и Rer є величина l- Довжина поверхні випаровування у напрямку руху сушильного агента.

Що входить до рівняння (11.38) критерій Гухман Gu характеризує вплив масообміну на теплообмін при одночасному протіканні цих процесів. критерій Gu виражається формулою:

 (7.25)

де  - Теплота випаровування вологи, Дж / кг; ?- коефіцієнт тепловіддачі від повітря, Вт / м2 град; t- Температура повітря, оС.

Величини A і n в рівнянні (7.24) залежать від критерію Re

 Re  200 6000  6000 70000
A  0.9  0.87  0.347
n  0.5  0.54  0.65

Швидкість сушіння залежить також від напрямку руху сушильного агента щодо висушується.

При прямотоке вологий матеріал на вході в сушарку стикається зі свіжим гарячим повітрям, тому сушка спочатку протікає інтенсивно, а потім сповільнюється, причому в кінці сушарки температура матеріалу наближається до температури t2 відпрацьованого повітря.

При противотоке вологий матеріал спочатку стикається із відпрацьованим повітрям, а висушений матеріал - з свіжим гарячим повітрям, що поступає в сушарку. Внаслідок цього сушка спочатку йде повільно, в кінці ж вологість матеріалу швидко зменшується, а його температура зростає, наближаючись до температури t1 сушильного агента, і може виявитися вище допустимої для даного матеріалу.

Тому при сушінні топковим газами (або іншим сушильних агентом, що має високу температуру) застосовують прямоток. Противоток воліють при сушінні матеріалу до низької кінцевої вологості, яка досягається в цьому випадку за більш короткий час.

Розрахунком не враховується ряд факторів, що впливають на тривалість сушіння, а саме: нерівномірне омивання матеріалу повітрям, наявність "мертвих" зон, зміна температури матеріалу та ін. Тому теоретичне час сушки, отримане за формулою (7.26), множать на поправочний коефіцієнт, рівний 1,5  2 і більше.

Зважаючи на складність розрахунку динаміки сушіння (дифузія вологи в різні періоди сушки, швидкість і тривалість сушіння) на практиці часто обмежуються статичним розрахунком за середніми даними, приймаючи за вихідну величину середня кількість вологи, що випаровується в одиниці об'єму сушильної камери (для конвективних сушарок) або на одиницю гріючої поверхні (для контактних сушарок), т. е. величину напруги сушарки по волозі A в кг / м3* Год або в кг / м2 *ч.

Середній температурний напір для першого періоду сушки:

 (7.26)

де t1 - Початкова температура сушильного агента; t '2- Температура сушильного агента в кінці першого періоду. Відповідно знаходимо температурний напір для другого періоду сушіння

 , (7.27)

де - Кінцева температура сушильного агента;  - Кінцева температура матеріалу, що висушується. Середній температурний напір для всього процесу сушіння визначають по формулі:

 , (7.28)

де  - Відношення тривалості сушіння в другому періоді (?2) До загальної тривалості сушіння (?1+ ?2).

величини ?1 и ?2 визначаються відповідно за формулами (7.29) і (7.28). Відповідні вирази для ?1ср и ?2ср можуть бути отримані для противотока сушильного агента і висушується.

При відносно високій кінцевої вологості висушуваного матеріалу величина ?ср може бути визначена наближено за рівнянням

 , (7.29)

При сушінні деяких полімерних матеріалів в підвішеному і напівзважена стані в сушильній установці накопичуються великі електростатичні заряди. У цих випадках, щоб уникнути вибухів апарату крім заземлення його корпусу раціонально використовувати для сушки азот або перегрітий пар (наприклад при сушінні поліетилену, деяких сополімерів стиролу і т. Д.)

Для матеріалів, надзвичайно чутливих до нагрівання, застосовується так звана холодна сушка, т. Е. Використовується попередньо осушене повітря при температурі не вище 40 оЗ (сушка латексних радіозондових оболонок великих розмірів, фотоемульсії і т. Д.), Т. К. При низьких температурах окислювальні процеси значно сповільнюються. Глибока осушення повітря проводиться на силікагелі, причому встановлюють два осушувача, з яких один працює, а в іншому відбувається регенерація силикагеля шляхом пропускання через нього, наприклад, гарячих газів.

Як осушающего адсорбенту можуть бути використані також фосфорний ангідрид і хлористий кальцій. При неглибокій ступеня осушування повітря застосовують кондиціонери, зрошувані водою, попередньо охолодженої в гликолевих установках. При сушінні хімічно чистих матеріалів повітря необхідно очистити від пилу в спеціальних фільтрах (паперові, вісцинові і ін.). Зовнішнє повітря доцільно забирати з більш високих шарів атмосфери, де він містить менше пилу

література

1 осн. [5-15],

2 доп. [3-7]

Контрольні питання

1. Зв'язки вологи за класифікацією П. а. Ребиндера.

1. Форми зв'язку вологи матеріалу.

2. Крива швидкості сушіння.

3. Теплообмінні та массообменниє процеси при сушінні

4. Класифікація сушильних установок.




 Тема лекції 1. Введення. Призначення теплової обробки в технології будівельних матеріалів. Поняття про теплових системах. |  Класифікації способів теплової обробки будівельних виробів |  Тема лекції 3 Перший закон термодинаміки. |  Матеріалів із застосуванням id-діаграми. |  Тема лекції 10. обробки їх будівельних матеріалів Призначення обробки їх. Стадії тепловлажностной обрабокі. Види і характеристика теплоносіїв. |  Тема лекції 11 масо-і теплообмін при тепловій обробці. Зовнішній і внутрішній тепло- і масообмін при тепловій обробці будівельних матеріалів |  Тема лекції 12. Випалювання будівельних матеріалів. Зовнішній і внутрішній теплообмін при випалюванні будівельних матеріалів. |  Лекція № 13. Паливо і процес горіння |  види тисків |  Тема заняття 15. Теплопостачання у виробництві будівельних матеріалів і виробів |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати