Тема лекции 8. Массо- и теплообмен при сушке. Внешний и внутренний тепло- и массообмен при сушке строительных материалов. Балансное уравнение теплового потока

Тепло- и массообмен может происходить в условиях однокомпонентных сред (паров, газов или жидкостей), изменяющих свое агрегатное со­стояние вследствие отвода или подвода тепла. К таким процессам мож­но отнести конденсацию паров или газов на охлаждающей стенке или кипение жидкости при непосредственном контакте ее с горячей поверх­ностью.

Теплообменники с однокомпонентными теплоносителями, изменяю­щими агрегатное состояние, были рассмотрены нами в выше, где было указано, что приведенные формулы недействительны для смесей паров„ газов или жидкостей, изменяющих агрегатное состояние.

В данной главе рассматриваются простейшие смесительные тепло­обменники, в которых происходят тепло- и массообмен между влажным воздухом (бинарной паровоздушной смесью) и водой при их непосред­ственном контакте (без разделительной стенки) и показаны особенно­сти их теплового расчета.

Воздух представляет собой смесь нескольких газов. Его приблизи­тельный состав у земной поверхности указан в табл. 8.1. Кроме того, в воздухе содержатся в различных количествах водяной пар и пыль.

В тепловых расчетах пользуются энтальпией влажного воздуха, от­несенной к 1 кг абсолютно сухого воздуха,

I=с_св t+хt_П, (8.1)

перегретого водяного пара, кДж/кг; х — влагосодержание воздуха, т. е. масса водяного пара в килограммах, приходящаяся на 1 кг сухого воздуха; с_с._в — теплоем­кость сухого воздуха, кДж/(кг-°С).

Таблица 8.1 - Объемный и весовой состав воздуха

Вещество	Содержание по весу %	Содержание, по объему %
Кислород	23,10	20,90
Азот	75,55	78,13
Аргон	1,30	0,94
Углекислота	0,05	0,03

Большинство процессов тепло- и массообмена при сушке материлов происходит при атмосферном или незначительно отличающемся от него давлении.

Весовую или массовую теплоемкость сухого воздуха при постоянном давлении для приближенных расчетов можно принимать равной сс.в = = 1,0036 кДж/(кг'°С), или 0,24 ккал/(кг-°С). Для точных расчетов истинные теплоемкости следует определять из таблиц, а по их значениям находить среднюю расчетную теплоемкость.

Энтальпия влажного воздуха может быть определена по формуле Л. К- Рамзина

, ккал/кг

или

кДж на 1 кг сухого воздуха (8.1а)

При определении влажности воздуха пользуются двумя понятиями: абсолютной и относительной влажностью.

Абсолютная влажность, или влагосодержание воздуха, характери­зуется массой водяного пара в 1 м³ влажного воздуха.

Относительная влажность воздуха выражается отношением абсо­лютной влажности воздуха к максимально возможной влажности его при тех же давлении и температуре или отношением массы водяного пара, заключенной в 1 м³ влажного воздуха, к массе водяного пара, не­обходимой для полного насыщения 1 м³ влажного воздуха при тех же давлении и температуре

где ρ — плотность, кг/м³

φ=ρ_П/ρ_нас (8.2)

Содержащиеся в воздухе водяные пары при φ<1 в большинстве случаев являются перегретыми, поэтому в технических расчетах влаж­ный воздух рассматривается условно как идеальный газ, следующий за­конам Бойля — Мариота, Гей-Люссака и закону парциальных давлений Дальтона, согласно которому давление влажного воздуха слагается из парциальных давлений сухого воздуха и содержащихся в нем водяных паров. В этом случае относительная влажность может быть определена как отношение действительного парциального давления водяных паров во влажном воздухе к максимально возможному при заданной темпера­туре

При измерении влагосодержания в граммах на килограмм сухого воздуха его принято обозначать через и, а при измерении его в кило­граммах на килограмм сухого воздуха — через х. Числовое значение влагосодержания можно определить, пользуясь уравнениями состояния для воздуха и водяных паров

и , (8.3)

составленными для одного и того же объема влажного воздуха и одной и той же температуры. Разделив второе уравнение на первое, получим:

Подставив значения газовых постоянных для воздуха R_в = = 288 кДж/(кг-°С), или 29,27 кгс-м/(кг-°С) и для водяных паров R_п =462 кДж/(кг-°С), или 47,1 кгс-м/(кг-°С), получим выражение для влагосодержания

кг на 1 кг сухого воздуха, (8.3) или

г на 1 кг сухого воздуха. (8.4а)

Заменив парциальное давление воздуха р_в величиной В—р_п (где Рп=фрнас и В — общее давление парогазовой смеси, Па или мм рт. ст.), получим для влажного воздуха, находящегося под барометрическим давлением,

г на 1 кг сухого воздуха, (8.4б)

т. е. при данном барометрическом давлении влагосодержание воздуха зависит только от парциального давления водяного пара. Максимально возможное содержание влаги в воздухе при φ= 1

г на 1 кг сухого воздуха. (8.4в)

Так как давление насыщения растет с температурой, то максималь­ное количество влаги, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры, притом тем больше, чем выше температура. Если уравнение (9.4б) решить относительно р_п, то получится:

(8.5)

и аналогично

(8.6)

Объем влажного воздуха, отнесенный к 1 кг сухого воздуха,

м* влажного воздуха на 1 кг сухого воздуха, (8.7)

Литература

1 осн. [5-15],

2 доп. [3-7]

Контрольные вопросы

1. Что такое теплообменники.

2. Абсолютная и относительная влажность.

3. Что называют бинарной паровоздушной смесью

4. За­кон Бойля — Мариота, Гей-Люссака