Изучение процесса конвективной сушки

В процессе переработки торфа чаще всего используется сушка в потоке нагретого воздуха или дымовых газов, то есть конвективная.

При контакте влажного материала с сухим нагретым воздухом, происходит испарение влаги с его поверхности и диффузия образующегося пара в окружающую среду. Одновременно в материале возникает градиент влаги, и она начинает перемещаться из внутренних слоёв к поверхности.

В зависимости от влагосодержания процесс сушки можно поделить на несколько периодов.Для мягкого режима сушки, когда имеют место малые интенсивности испарения, выделяют два периода (Рис. 2.1): период постоянной скорости сушки (участок 1) и период падающей скорости сушки (участок 2). Последний, свою очередь, также может делиться на отдельные участки (2.1. и 2.2.).

Рис. 2.1 Зависимость скорости сушки от влагосодержания

Первый период соответствует водонасыщенному состоянию материала, когда убывание влаги за счёт испарения компенсируется её поступлением из внутренних слоёв. В этом состоянии температура поверхности материала равна температуре мокрого термометра. Парциальное давление у поверхности испарения соответствует давлению насыщенного пара при температуре мокрого термометра. Коэффициенты тепло – и массообмена остаются постоянными.

В этих условиях количество влаги, испаряющейся с поверхности материала, определяется скоростью, с которой пар диффундирует через пограничный слой воздуха.

При определённом влагосодержании материала, соответствующем U_ур, начинается второй период сушки. В этом периоде наблюдается повышение температуры материала, уменьшение парциального давления на поверхности материала, коэффициенты тепло- и массо- обмена также уменьшаются.

Сушку обычно заканчивают до достижения некоторого конечного влагосодержания U₂, определяемого технологическими требованиями. В пределе же конвективная сушка может продолжаться, пока материал не достигнет равновесного влагосодержания U_р. Температура материала при этом становится равной температуре воздуха.

В период падающей скорости течение процесса сушки обуславливается подводом

влаги к поверхности испарения, т.е. внутренней диффузией, скорость которой определяется структурой материала и его температурой, но мало зависит от внешних условий.

При проектировании сушильных установок важнейшим вопросом является расчётное определение времени проведение процесса.

В течении первого периода сушки скорость испарения влаги с поверхности материала равна скорости, с которой пари диффундирует через слой насыщенного воздуха.

Продолжительность периода постоянной скорости сушки может быть определена

по уравнению

(2.1)

Где К – константа скорости сушки

U₁ и U_кр – начальное и критическое влагосодержание материала, %.

В течение периода падающей скорости сушки влага внутри материала перемещается так в виде жидкости, так и в виде пара под действием капиллярных сил и теплового воздействия. Скорость внутренней диффузии зависит от структуры материала и его температуры, а также от физико–химических свойств жидкости. Ввиду большого количества факторов, определяющих скорость процесса сушки в этом периоде, строгое математическое описание его затруднено.

Продолжительность периода падающей скорости сушки в большинстве случаев можно найти только по экспериментальным данным.

При инженерных расчётах допустимо предположение, что зависимость между скоростью сушки и влагосодержанием материала в течение всего периода падающей скорости сушки (от критического до равновесного влагосодержания) прямолинейная. В этом случае продолжительность периода падающей скорости сушки можно определить по приближённому уравнению

(2.2)

где U₂ и U_р – равновесное и конечное влагосодержание материала, %.

Цель работы

1. Определение зависимости скорости сушки от влагосодержания материала.

2. Нахождение константы скорости сушки.

3. Определение времени скорости сушки, необходимого для достижения заданного конечного влагосодержания материала, и сопоставления с опытными данными.

Описание установки

Для проведения экспериментов используется лабораторная сушильная установка

ДИ-8 (Рис. 2.2).

Сушильная установка состоит из сушильной камеры 1 прямоугольного сечения.

Воздух подогревается электрическим нагревателем 2, мощностью 1100 Вт, расположенным в нижней части сушильной камеры. Определение температуры воздуха

поддерживается автоматически с помощью терморегулирующего устройства 3.

Воздух в сушильную камеру подаётся вентилятором 4.

Влажный материал 5 помещается внутрь камеры на подвеске квадратных весов 6, вмонтированных в сушильную установку. Таким образом, в процессе сушки можно наблюдать за изменением массы сушимого материала.

Параметры воздуха перед сушильной камерой определяется психрометром 7. Для измерения температуры воздуха внутри камеры установлен термометр 8.

Рис. 2.2 Схема сушильной установки ДИ– 8

1 – сушильная камера; 2 – электрический нагреватель; 3 – трубопровод; 4 – сухой термометр; 5 – сушимый материал; 6 – квадрантные весы; 7 – психрометр; 8 – термометр

Методика проведения работы

1. С помощью терморегулирующего устройства устанавливается температура воздуха в сушильной камере равной 90˚С.

2. Навеска фрезерного торфа массой 25 г. распределяется ровным слоем в кювете и устанавливается на подвеске в сушильной камере.

3. Тумблер на регулирующем устройстве включается в положение электронагреватель. Одновременно включается секундомер.

4. С интервалом в 3 мин измеряется масса высушиваемого торфа. Для взвешивания тумблер переключается в положение Освещение шкалы.

5. Опыт продолжается до установления постоянной массы высушиваемого торфа.

6. Температура сухого и мокрого термометров психрометра измеряется в течении опыта через 10 мин.

7. Все замеры, проведённые в опыте, заносятся в протокол испытания.

Обработка результатов испытаний и методика расчёта

1. По полученным данным строятся кривая сушки, т.е. зависимость влагосодержания от времени сушки, (Рис. 2.3), и кривая скорости сушки (Рис. 2.4). Построение ведётся на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе.

2. По кривой «скорость сушки– влагосодержание» находится значение критического влагосодержания U_кр и из уравнения определения константа скорости сушки К.

3. Равновесное влагосодержание материала U_р принимается по данным последнего замера.

4. По средним показаниям сухого и мокрого термометров перед сушильной камерой с учётом поправки на скорость воздуха по формуле находится на Id – диаграмме влагосодержание воздуха d₀. Учитывая постоянство влагосодержания воздуха при нагревании (d₁ = d₀), по температуре t₁ определяется на Id – диаграмме температура мокрого термометра t_m1 (в камере).

5. Относительная влажность воздуха в сушильной камере вычисляется по формуле

5. Относительная

(2.3)

6. Время сушки, необходимое для достижения заданного конечного влагосодержания материала, рассчитывается по уравнениям (2.1 и 2.2)

Рис. 2.3 Зависимость влагосодержания от времени

Рис.2.4 Зависимость скорости сушки от влагосодержания

Таблица 2

Протокол испытаний

Высушиваемый материал-

Масса влажного образца G₁, г -

Масса абсолютно сухого материала G₀, г -

Температура воздуха в сушильной камере t₁, ⁰С -

Относительная влажность воздуха в камере j₁, % -