ИПИ. Исследование режимов работы сушильных устройств (сушильные установки)

• Название: Исследование режимов работы сушильных устройств (сушильные установки)
• Дата: 10.05.2022
• Размер: 2.36 Mb.
• Имя файла: ИПИ.docx
• Тип: Исследование; #520018
• страница: 8 из 20

Молекулярная диффузия и молярный перенос

Диффузия представляет собой процесс выравнивания концентраций, возникающий в результате беспорядочного теплового движения частиц вещества.

Если этими частицами являются молекулы, то происходит процесс молекулярной диффузии, например, пара в воздух, но диффундировать могут и макроскопические частицы.

Если разница концентраций обусловлена разницей давлений, тогда выравнивание концентраций будет осуществляться не только за счет диффузии, но и в результате конвективных потоков вещества.

В процессе массообмена с окружающей средой одновременно с молекулярной диффузией в пограничном слое возникает молярный перенос пара и воздуха.

В процессе молекулярной диффузии пара с поверхности испарения возникает также поток воздуха, но в обратном направлении. Если пар свободно диффундирует в воздух, то поверхность жидкости для воздуха непроницаема, в результате количество сухого воздуха у поверхности увеличивается. Но поскольку барометрическое давление воздуха постоянно, то для выполнения этого условия необходимо движение всей смеси в виде молярного (конвективного) переноса. Этим конвективным движением (стефановский поток) отводятся от поверхности жидкости одновременно пар и воздух.

Внутри капиллярно-пористых тел перенос пара или воздуха происходит различными способами: молекулярным путем в виде диффузии и эффузии* и молярным путем - фильтрационным движением парогазовой смеси внутри пористого тела под действием перепада общего давления. Перенос жидкости может происходить путем диффузии, капиллярного впитывания и фильтрационого движения в пористой среде, вызванного градиентом давления.

Молекулярный перенос в макрокапиллярах, у которых радиус г > 10^-5 см, при изотермических условиях осуществляется за счет градиента концентрации пара.

ТЛ KJ KJ

В случае неизотермических условий перенос пара в парогазовой смеси будет происходить и под действием градиента температуры (термодиффузия пара).


*Эффузия - медленное истечение газов через малые отверстия (вид диффузии).





Если в бинарной смеси существует разность давлений, то имеет место бародиффузия - молекулярный перенос компонента воздуха с более высокой молекулярной массой в область повышенного давления.

Молярный перенос влаги (видимое движение) в макрокапиллярах возникает только при наличии градиента общего давления, который, в свою очередь, возникает при больших градиентах температуры внутри тела.

Контрольные вопросы по главе 3

1. 
   Что такое влагосодержание материала?
   
2. 
   Что такое относительная влажность материала?
   
3. 
   Что такое равновесное влагосодержание материала?
   
4. 
   Что такое адсорбционно связанная влага?
   
5. 
   Какая влага, содержащаяся в материале, не замерзает при 0 °С ?
   
6. 
   Что такое гигроскопическая влага?
   
7. 
   Можно ли в процессе сушки удалить химически связанную воду?
   
8. 
   Какая влага имеет наибольшую энергию связи с материалом?
   
9. 
   В каком периоде конвективной сушки температура поверхности материала не изменяется?
   
10. 
    Что такое первое критическое влагосодержание материала?
    
11. 
    В каком из периодов сушки влагосодержание материала изменяется по линейному закону?
    
12. 
    Какое конечное влагосодержание должен иметь материал, чтобы отсутствовал период падающей скорости сушки?
    
13. 
    Какую начальную влажность должен иметь материал, чтобы отсутствовал период постоянной скорости сушки?
    
14. 
    Какие материалы называют коллоидными?
    
15. 
    К какому виду материалов относится картон?
    
16. 
    К какому виду материалов относится древесный уголь?
    
17. 
    К какому виду материалов относится тесто?
    
18. 
    Что такое кинетика процесса сушки?
    
19. 
    Что такое изотерма сорбции?
    
20. 
    Какая влажность больше: критическая, гигроскопическая или равновесная?
    
21. 
    От чего зависит критическое влагосодержание материала?
    
22. 
    У каких материалов отсутствует критическое влагосодержание?
    
23. 
    Что такое градиент температуры?
    
24. 
    Что такое градиент влагосодержания?
    

25. 
    Препятствует ли термодиффузия конвективной сушке материала?
    
26. 
    Как называется количество теплоты, переносимое через единицу площади поверхности в единицу времени?
    
27. 
    За счет чего будет осуществляться перенос влаги в материале при наличии градиента общего давления?
    
28. 
    Под действием чего влага перемещается к поверхности испарения, когда температура материала менее 100 °С ?
    
29. 
    От чего зависит растягивающее напряжение, приводящее к растрескиванию или короблению материала в процессе сушки?
    
30. 
    Под действием чего влага перемещается к поверхности испарения, когда температура материала более 100 °С ?
    
31. 
    Что учитывает критерий Гухмана Gu ?
    
32. 
    Что характеризует критерий Рейнольдса Re ?
    
33. 
    Какой из критериев (Nu, Pr или Fo) является определяемым в процессах конвективного теплообмена?
    
34. 
    Что является основной задачей динамики сушки?
    
35. 
    Как изменяется термоградиентный коэффициент 5_t с увеличением температуры?
    
36. 
    Как зависит коэффициент массопроводности a_m от температуры?
    
37. 
    Что определяет критерий Поснова Pn ?
    
38. 
    Чем обусловлен процесс молекулярной диффузии?
    
39. 
    Что такое температурное поле?
    
40. 
    Что такое температура точки росы?
    

41 . Что такое температура смоченного термометра?

42. 
    Когда температура по сухому термометру выше температуры смоченного термометра?
    
43. 
    Что такое термовлажностное отношение или угловой коэффициент процесса?
    
44. 
    Какое значение принимает угловой коэффициент в
    

"теоретическом" процессе сушки?



ГЛАВА 4. КОНВЕКТИВНЫЕ СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

1. 
   Камерная сушильная установка
   

В технике сушки влажных материалов широкое распространение получили конвективные сушильные установки, в которых в качестве сушильного агента применяются нагретый воздух или дымовые газы. В зависимости от формы, свойств, размеров материала выбирается конструкция сушильной установки, а также режимные параметры - температура, скорость сушильного агента и направление его движения.

Камерные сушилки являются установками периодического действия, они малопроизводительны и малоэффективны, но находят широкое распространение из-за простоты конструкции и эксплуатации и более равномерного распределения влажного воздуха в объеме камеры. Они применяются, например, для сушки чая, кожи, пиломатериалов, строительных материалов.

Характерной особенностью работы таких установок является периодическая загрузка влажного и выгрузка высушенного материала, нагрев и охлаждение камеры, изменение параметров сушильного агента во времени. Циркуляция сушильного агента в камерах может быть естественной под действием разности плотностей холодного и нагретого воздуха и принудительной за счёт внешнего побудителя (вентилятора или дымососа). Циркуляция может быть организована в любом направлении. Движение сушильного агента происходит вдоль или поперек камеры, сверху вниз или снизу вверх. Применяются комбинированные схемы движения сушильного агента относительно высушиваемого материала. На рис. 4.1 приведена схема камерной сушильной установки.

Выполняются два вида теплотехнического расчета сушильных установок - конструктивный и поверочный. При проектировании новых сушильных установок выполняется конструктивный расчёт, основной задачей которого является определение геометрических размеров по известным режимным характеристикам и заданной производительности установки. Поверочный расчёт сушильных установок выполняется с целью определения производительности и сравнения её с фактическими данными, одновременно рассчитываются КПД установки, удельный расход теплоты и другие характеристики.








Рис.4.1. Схема камерной сушильной установки:

1 - ограждение камеры; 2 - воздухораспределительные отверстия; 3 - высушиваемый материал; 4 - всасывающие отверстия; 5 - свежий воздух; 6 и 9 - регулирующие клапаны; 7- нагне­тающий вентилятор; 8 - отработанный воздух; 10 - калорифер


Тепловой баланс камерных сушилок периодического действия составляется для одного цикла работы установки и выражается расходом теплоты за один цикл (кДж/цикл). В общем виде уравнение теплового баланса сушильных установок имеет вид

Qс + SQmx = Ьв ■ Св ■ (1в1 - 1в2), (4.1)

где L_в , с_в - массовый расход и средняя теплоемкость воздуха; 1_в1, 1_в2, - температура воздуха на входе и выходе из сушильной камеры.

Расход теплоты на сушку влажного материала складывается из расхода теплоты на прогрев влажного материала Q^ , расхода теплоты в периоде постоянной скорости сушки QI и расхода теплоты в периоде падающей скорости сушки Q_II

Qс = Qhf + Qi + Qii .

Расход теплоты в период прогрева

^Qпр = ^Осух " ^(см + ^Cw " ^ио⁾ " ⁽ ^ м Q о⁾.

Расход теплоты в периоде постоянной скорости сушки определяется по формуле

^QI = ^Осух " ^(ио ^ик⁾ " ^Г1 = ^Осух " ^(ио ^ик⁾ " 0п1 ^Cw " ^м⁾ =

= ^Осух " ^(ио ^ик⁾ " 0о + ^Сп " #м ^Cw " ^м⁾.



Расход теплоты в период падающей скорости сушки QlI = Осух • ^{[ (с}м + C_w • ^u2⁾ • ^{( 9}2 ⁹м⁾ + ^(ик ^u2⁾ • ^r2^] =

= °сух • ^{[ (с}м + ^Cw^ ^u2⁾ • ⁽⁹2 ⁹м⁾ + ^(ик ^u2⁾ • 0п2 ^cw • ⁹2⁾]^,

где G^ - расход материала по абсолютно сухой массе; с_м, c_w, с_п - теплоёмкости абсолютно сухого материала, влаги и пара; и_о, и_к, и₂ - начальное, критическое и конечное влагосодержание материала;

9_о, 9_м, 9₂ - начальная температура материала, температура в периоде постоянной и падающей скорости; г1, г2 - теплота парообразования в периоде постоянной и падающей скорости сушки.

Потери складываются из расхода теплоты на транспортные устройства, в окружающую среду и на нагревание ограждения

SQ

пот ^Qтр + ^Qокр + ^Qогр .

Расход теплоты на транспортные устройства

^Q_Tp = Отр • ^стр • ^(t_Tp2 ^- ^грО.

Расход теплоты в окружающую среду

^Q0кp = ^k • Рогр • ^At .

Расход теплоты на нагревание ограждений

^Q0гp = ^Оогр • ^согр • 0-огр2 ^{- t}0гp1⁾.

где G_тp, О_огр - масса транспортных устройств и ограждения; с_тр, с_огр - удельные теплоёмкости транспортных устройств и ограждающих элеменов; t^, t_0гp1, 1_тр2, t_0гp2 - начальные и конечные температуры транспортных устройств и ограждения; F_0rp - поверхность ограждающих конструкций; k - коэффициент теплопередачи; At - температурный напор.

В уравнении (4.1) могут быть также и другие расходные статьи в зависимости от конструкции и схемы сушильной установки.

Уравнение теплового баланса сушильной установки может быть выражено в процентах (или относительных единицах), если правую и левую части уравнения (4.1) разделить на [ Ь_в • с_в • (t^ - t^)]

Япр + qi + qii + Ятр + Яокр + Яогр = 100 %.

Уравнение теплового баланса может быть также выражено в удельных затратах теплоты на испарение 1 кг влаги, содержащейся в материале, если правую и левую части уравнения (4.1) разделить на

[0^ ^(ио ^{- и}2^)]



oa oa oa oa oa oa oa

q& = q_iS + qi + q_n + qo_S + q® + q®^{, кДж / кг влаги}.


(4.2)


Если же отнести расходы теплоты к производительности установки G^, то тогда получим удельные расходы, отнесённые к единице выпускаемой продукции

qlw = q^. + qi⁺ qn + qTp + q^ + qOp > ^{кДж / кг} продущ™.

2. 
   Конвективная установка непрерывного действия для сушки ленточных и листовых материалов
   

В целлюлозно - бумажной промышленности конвективные сушильные установки непрерывного действия применяются для сушки древесноволокнистых плит, целлюлозы, картона, бумаги и других материалов. На рис. 4.2 приведена схема конвективной сушильной установки ленточного типа, в которой материал подаётся в верхнюю часть сушилки, затем последовательно огибает несколько направляющих валиков и выходит с противоположной стороны.





Рис. 4.2. Схема конвективной сушильной установки непрерывного действия:

1 - направляющие валики; 2 - направляющие перегородки для воздуха; 3 - всасывающие воздуховоды; 4 - высушиваемый материал; 5 - свежий воздух; 6 и 9 - регулирующие клапаны; 1 - нагнетающий вентилятор; 8 - отработанный воздух; 10 - калорифер; 11 - воздухораспределительные отверстия





Нагретый в калорифере воздух подаётся в воздухо­распределительные устройства, обтекает материал продольным потоком и выходит через всасывающие воздуховоды снова в циркуляционную систему. Направление движения материала и воздуха может быть противоточным или прямоточным.

Тепловой расчёт сушильных установок производится с целью определения их габаритов для получения необходимой конечной влажности материала при заданных параметрах воздуха и материала. Часовая производительность установки определяется по формуле

^Осух = ⁶⁰ " ^Ьп " ^wп " ^Рсух ^{, кг/ч ,}

где Ь_п - ширина полотна, м; w_п - скорость движения полотна, м/мин;

2. 
   2 Р_сух - масса 1м сухого полотна, кг/м .
   

Расход воздуха для ассимиляции испарившейся влаги определяется как

Ьв = 1000 ■ Осух ■ (u - u2) / (d2 - ёо), кг/ч ,

где u^ u₂ - начальное и конечное влагосодержание материала, кг/кг; d^ d₂ - влагосодержание воздуха по I-d диаграмме, г/кг.

Тепловой расчёт тепломассообменных, в том числе сушильных, установок для ленточных и листовых материалов производится в основном по двум формулам: уравнению теплового баланса и уравнению теплообмена, считая, что Q6 = Р_т .

Количество теплоты, необходимое для сушки влажного материала и рассчитанное по уравнению теплового баланса

Q6 = Осух ■ (Цо - u2) ■ q_в^у_л^д * Осух ■ (Uо - u2) ■ Г, кДж/ч. (4.3)

Величина qУД определяется по формуле (4.2). Количество теплоты, необходимое для сушки влажного материала и определённое из уравнения теплообмена

Qт = 2 ■ 3,6 ■ ак ■ Ьп ■ 1п ■ (t_a - S_i ), кДж/ч , (4.4)

л

где а_к - конвективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м ■ К); t_B - средняя температура воздуха, С°; 5_М = 0,5 ■ (^_о + #₂) - средняя

температура полотна, °С; Ь_п, 1_п - ширина и длина полотна, м; коэффициент 2 учитывает двустороннюю поверхность испарения; коэффициент 3,6 служит для перевода Вт в кДж/ч.





Коэффициент теплоотдачи определяется из критериального уравнения, полученного при сушке влажного картона в продольном потоке воздуха


Nu_x = 0,07 ■ Re^0,75.

Теплообменный критерий Нуссельта хт a_g -l