Перемещение влаги внутри материала

Анализ процесса сушки зерна

 

Значение критической влажности зерна, соответствующее первой критической точке, колеблется в довольно широких пределах (17 – 24 %). Оно зависит и от начальной влажности зерна, и от режима сушки. Чем выше начальная влажность, тем больше скорость сушки в первый период, но тем он короче, то есть больше первая критическая влажность. Такая закономерность может быть объяснена различной связью влаги с белками и крахмалом зерна.

Гигроскопичность белкового комплекса зерна значительно выше гигроскопичности крахмала, а скорость сушки белков соответственно ниже. Поэтому в более влажном зерне влага связана белками прочнее. В результате удаления влаги крахмала скорость сушки в начале процесса значительна. Поскольку сушка белков происходит с меньшей скоростью, наступает период убывающей скорости.

При сушке зерна нередко весь процесс протекает с убывающей скоростью испарения влаги. Это наблюдается и при современных интенсивных способах и режимах сушки, а также при сушке зерна сравнительно невысокой влажности.

Подбором соответствующих режимов можно обеспечить протекание процесса с постоянной скоростью сушки. Если, после наступления периода убывающей скорости сушки прервать подачу агента сушки и осуществить отлежку зерна, то после возобновления сушки снова наблюдается период постоянной скорости влагоотдачи.

Для совместного анализа описанных выше закономерностей процесса сушки удобно пользоваться совмещенным графиком кривой сушки 1, скорости сушки 2 и температурной кривой 3 (рисунок 16). Здесь и средняя влажность зерна, и его температура, и скорость сушки представлены как функция времени.

В стадии прогрева зерна теплота, подводимая агентом сушки, расходуется в основном на его нагрев. Температура его резко повышается (участок А"В"), возрастает также скорость сушки (участок А'В').

В начале первого периода температура зерна Θ достигает температуры мокрого термометра, а скорость сушки – своего максимального значения. Первый период характеризуется постоянством скорости сушки (участок

 

 

Рисунок 16 – Типичные кривые сушки – 1, скорости сушки – 2 и температурная – 3

 

В'С'), влажность зерна изменяется по прямой (участок ВС). Температура зерна на всем протяжении первого периода остается постоянной и равной t_м (участок В"С"}.

Такая закономерность изменения температуры характерна для материалов капиллярно-пористой структуры (песок, керамические изделия, бумага и др.), а весь процесс удаления влаги подобен процессу испарения влаги о свободной поверхности жидкости. Для большинства коллоидных капиллярно-пористых тел неоднородной структуры, к которым относят зерно, температура непрерывно увеличивается (участок В''М). Интенсивность испарения влаги в период постоянной скорости сушки пропорциональна разности парциальных давлений на поверхности зерна и в окружающей среде. Скорость сушки при этом зависит от параметров агента сушки (температуры, влажности и скорости его движения) и определяется условиями внешней диффузии влаги в окружающую среду. Однако уже в этом периоде для некоторых материалов создаются условия, которые нарушают закономерности внешней диффузии влаги, вызванные недостаточным подводом влаги из внутренних частей материала к поверхности и углублением зоны испарения. Это и находит отражение в непрерывном повышении температуры материала.

Во втором периоде наблюдается замедление скорости сушки: влажность изменяется по кривой СDЕ, а скорость сушки – по кривой C'D'E' Температура зерна повышается (участки С"D"Е" или МNЕ"). Уменьшение скорости сушки объясняется удалением более прочно связанной влаги.

Период убывающей скорости сушки можно разделить на две зоны, которые называют зоной внешней (зона а) и внутренне (зона б) диффузии влаги. Их разделяет вторая критическая точка К₂. В зоне внешней диффузии влаги интенсивность сушки еще определяется внешними условиями, но уже в значительной степени лимитируется подводом влаги из внутренних слоев зерна. В зоне внутренней диффузии интенсивность процесса мало зависит от параметров окружающей среды и практически полностью определяется законами внутреннего перемещения влаги.

 

Плотный неподвижный слой

 

В таком слое контакт зерен постоянно зафиксирован и их поверхность, омываемая агентом сушки, неизменна. Интенсивность сушки в неподвижном слое определяется в большей мере внешним тепловлагообменом между зернами и агентом сушки, отводящим водяные пары из межзернового пространства. При прохождении агента сушки через неподвижный слой его параметры изменяются как во времени, так и в пространстве, т.е. по толщине слоя. Соответственно этому изменяются влажность и температура зерна. Слои зерен, расположенные ближе к месту входа агента сушки, нагреваются и высушиваются быстрее.

При сушке зерна в неподвижном слое температура агента сушки строго ограничена. Она не превышает допустимой температуры нагрева зерна. В связи с этим процесс сушки протекает длительно и продолжается до тех пор, пока зона сушки не охватит весь слой. Скорость прохождения зоны сушки через слой зависит от параметров агента сушки и влажности зерна.

 

Псевдоожиженный слой

 

При воздействии на зерновой слой аэродинамических или механических сил при определенных условиях происходит ослабление контактов между зернами, объём межзерновых пространств слоя увеличивается, а структура его разрушается. Плотный слой переходит в разрыхленное, псевдоожиженное, а по мере увеличения внешнего воздействия во взвешенное состояние.

Псевдоожиженный слой получил свое название благодаря формальному сходству некоторых его свойств со свойствами жидкости. Если через слой зерна, расположенного на решетке, пропускать с определенной скоростью воздух, то слой вначале разрыхляется, а затем переходит в состояние, напоминающее кипящую жидкость, т.е. в состояние псевдоожижения (рисунок 17).

Псевдоожиженный слой обладает свойством текучести, благодаря чему процесс сушки можно совместить с транспортированием зерна от места загрузки его в сушильную камеру к месту выпуска. При этом перемещение зерна может быть самопроизвольным или организованным. При самопроизвольном перемещении из-за интенсивного перемешивания слоя время пребывания зерен в сушильной камере неодинаково. Это может приводить к их неравномерному нагреву и сушке. Поэтому лучше использовать организованное (принудительное) перемещение зерна, когда обеспечивается вполне определенное, заданное время пребывания зерен в сушильной камере. В этом случае можно регулировать время пребывания в широких пределах в соответствии с влажностью зерна и выбранным режимом сушки.

 

 

 

а - плотный слой; б - разрыхленный слой; в - начало псевдоожижения; г - первая стадия псевдоожижения; д - стадия вихревого кипения.

 

Рисунок 17 – Характер изменения структуры зернового слоя в зависимости от скорости воздуха

 

Виброкипящий слой

 

Зерновой слой может быть приведен в псевдоожиженное состояние путем воздействия на него вибрационных колебаний или совместным воздействием воздушного потока и вибрации. Применение вибрации позволяет уменьшить скорость воздуха ниже критической и рассчитывать расход воздуха, исходя из потребного количества теплоты. Наибольшее влияние на состояние слоя оказывает амплитуда колебаний, для разных зерновых культур она равна 2-10 мм. Частоту колебаний берут в пределах 20-30 Гц.

 

Падающий слой

 

В настоящее время большое распространение получили сушилки с так называемым падающим слоем, представляющим собой противоточный взвешенный слой с искусственно замедленным падением зерен. Их торможение создается встречным потоком агента сушки (аэродинамическое торможение), а также при помощи решетчатых, трубчатых и тому подобных элементов (механическое торможение).

Падающий слой отличается от псевдоожиженного наличием общей направленной скорости зерен. В падающем слое истинная концентрация зерна нарастает по ходу его движения. Увеличение времени пребывания зерна в потоке агента сушки, и повышение истинной концентрации приводит к росту располагаемой поверхности теплообмена и как следствие этого к резкому снижению температуры агента сушки на начальном участке сушильной камеры. Скорость восходящего потока агента сушки уменьшается по высоте камеры. В связи с этим максимальная относительная скорость агента сушки должна быть близкой к скорости витания зерна, но не превышать так называемой скорости захлебывания, при которой зерно перестает перемещаться вниз.

В сушильной камере с заторможенно падающим слоем время пребывания зерна исчисляется несколькими секундами и практически не поддается регулированию. Несмотря на высокую интенсивность тепловлагообмена, снижение влажности зерна при такой продолжительности процесса незначительно. В связи с этим аппараты с падающим слоем зерна применяют не как самостоятельные сушилки, а как нагреватели зерна в комбинированных многокамерных установках.

 

Взвешенный слой

 

Взвешенное состояние зерна достигается в восходящем потоке агента сушки при превышении скорости витания, при этом вся поверхность зерна участвует в тепловлагообмене с воздухом; нагрев и сушка зерна проходят равномерно.

Сушилка с взвешенным слоем зерна действует по принципу свободной системы, т.е. в ней поток зерна не сдерживается никакими специальными устройствами, а регулируется лишь подачей зерна через загрузочное устройство.

В отличие от обычного пневмотранспорта скорость агента сушки по высоте трубы-сушилки (пневмотруба) не остается постоянной, в связи с чем надежность и устойчивость транспортирования зерна определяются не только начальной, но и конечной скоростью агента сушки, которая на выходе из пневмотрубы должна быть на 30-50 % больше скорости витания зерна. Концентрация зерна также изменяется по высоте пневмотрубы: наибольшее значение концентрация имеет при входе в пневмотрубу; в дальнейшем по высоте трубы увеличивается скорость зерна, а концентрация его снижается.

Существенное влияние на устойчивость работы установки оказывают условия ввода зерна в пневмотрубу. Для стабилизации скоростного поля потока агента сушки на начальном участке пневмотрубы зерно надо подавать на 1,5-2,0 м выше места входа агента сушки в пневмотрубу.

При оптимальных условиях ввода зерна стабильность пневмотранспорта достигается при средней скорости агента сушки 22-24 м/с.

В связи с такой высокой скоростью агента сушки и соответствующей скоростью зерна продолжительность его пребывания в пневмотрубе очень мала (секунды). Даже при температуре агента сушки 350-400 °С влажность зерна снижается на 0,5-1,0 %. Поэтому аппараты со взвешенным слоем зерна применяют не как самостоятельные сушилки, а как нагреватели в многокамерных комбинированных сушильных установках.

 

 

Перемещение влаги внутри материала

 

При конвективной сушке влажных материалов влага перемещается в материале по направлению от центра кусков материала к периферии, где материал омывается сушильным агентом. Такое перемещение влаги носит название влагопроводности. Влагопроводность в основном диффузионный процесс, движущей силой которого является разность между концентрациями влаги в различных точках материала. Так как мы имеем дело с диффузионным процессом, то основное уравнение влагопроводности может быть записано аналогично закону Фика:

 

                                      (64)

 

где K_W - называется коэффициентом влагопроводности (коэффициент внутренней диффузии влаги в материале).

Знак минус показывает, что влага движется от слоя с большей концентрацией влаги к слою с меньшей концентрацией влаги, то есть в направлении противоположном градиенту концентрации.

K_W зависит от формы связи влаги с материалом, влажности материала и температуры сушки, то есть на различных стадиях процесса имеет различные значения.

Следует отметить, что влага может перемещаться в материале, как в виде жидкости, так и в виде пара, что зависит от формы связи и от характера материала.

Перемещение влаги в виде жидкости будет происходить при большой влажности материала, то есть в 1 период сушки (капиллярная и осмотически связанная влага).

Во 2 период сушки при малой влажности материала начинается испарение внутри материала (капиллярная адсорбционно-связанная влага) и перемещение влаги происходит в виде пара.

В действительности описанная картина процесса осложняется тем, что материал подвергается одновременному воздействию тепла. При этом наряду с концентрационным градиентом имеет место и температурный градиент. Во влажном материале этот градиент оказывает существенное влияние на механизм миграции влаги, проявляется действие термовлагопроводности. Под влиянием температурного градиента влага перемещается по направлению потока тепла.

Три основные причины явления термовлагопроводности:

1) термодиффузия, то есть молекулярное движение жидкости или пара;

2) уменьшение поверхностного натяжения σ_с с повышением температуры, вследствие этого в капиллярах происходит движение жидкости в сторону меньших температур, то есть по направлению теплового потока (рисунок 12);

 

 

Рисунок 12 – Схема движения жидкости в капиллярах в зависимости от температуры

 

3) влияние защемленного воздуха. При нагревании этого воздуха, он расширяется и проталкивает влагу, где давление меньше (рисунок 13).

 

 

Рисунок 13 – Схема движения жидкости в капиллярах в зависимости от давления