Діаграма стану вологого атмосферного повітря

Побудова діаграми

Діаграма стану вологого атмосферного повітря (i—х) вперше була побудована в 1918 р. Л. К. Рамзіним і виражає залежність між його ентальпією і вологовмістом (рис. 14.1). Діаграма побудована для 1 кг сухої маси повітря і тиску, рівного 745 мм рт. ст., яке можна вважати середньорічним для центральних районів Росії. І хоча кут між координатними осями складає 135°, для зручності розрахунків на діаграмі нанесена допоміжна вісь х, проведена під кутом 90°.

На діаграмі (див. рис. 14.1) побудовані:

• лінії постійного вологовмісту (х = соnst), що є вертикальними прямими, паралельними осі ординат;

• лінії постійної ентальпії (i = соnst) — прямі, паралельні осі абсцис, що йдуть під кутом 135°;

• лінії постійних температур, або ізотерми (t = сonst);

• лінія парціального тиску водяної пари р_пар у вологому повітрі;

• лінії постійної відносної вогкості (φ = соnst), представляючі пучок кривих, що розходиться. При t = 99,4 °С — температурі кипіння води при тиску 745 мм рт. ст. — криві φ мають перелом і йдуть вертикально вгору. Це пояснюється тим, що при t ≥ 99,4°С парціальний тиск насиченої пари водяної пари, що знаходиться в повітрі, буде рівне загальному тиску, а вологовміст повітря при даній відносній вогкості залишається постійним.

Крива φ = 100%, відповідна насиченому стану повітря парою при даній температурі, ділить діаграму на дві частини. Вище за лінію насичення знаходиться область ненасиченого стану вологого повітря. Тут будь-який стан вологого повітря знаходиться по двох будь-яких параметрах (наприклад, перетином ізотерми і лінії вологовмісту). По знайденій точці можуть бути визначені ентальпії і відносна вогкість повітря. Нижче за лінію насичення знаходиться область пересичених станів (у техніці сушки це нереально).

 

Рис. 14.1 – Діаграма стану вологого повітря (Рамзіна): i= const – лінії постійної ентальпії; x=const – лінії постійного вологовмісту; t=const – лінії постійних температур(ізотерми); φ=const – лінії постійної відносної вологості

 

14.2 Процеси зміни параметрів повітря на діаграмі i — х

Нагрівання і охолоджування — процеси, при здійсненні яких вологовміст вологого повітря залишається постійним (х = соnst). Таким чином, ці процеси зображаються на діаграмі i – х вертикальними прямими, паралельними осі i (рис. 14.2, а).

Змішення двох об'ємів повітря (1 кг повітря з параметрами i₁ і х₁ змішується з n кг повітря з параметрами i₂ і х₂) зображене на i – x – діаграмі (рис. 14.2, б).

Для даного процесу можуть бути записані рівняння теплового балансу

 

матеріального балансу по волозі

Рис. 14.2

 

які можуть потім бути перетворені до вигляду

(14.1)

 

 

(14.2)

 

 

Прирівнявши рівняння (14.1) і (14.2), одержимо

(14.3)

 

Рівняння (14.3) показує, що точка, яка характеризує стан одержаної суміші, лежить на відрізку прямої, яка сполучає точки, що характеризують стани змішуваних об'ємів. Ця точка ділить цей відрізок на частини в відношенні 1: п.

Конденсація. Температурою точки роси називають температуру, охолоджуючись до якої при постійному вологовмісті, повітря здобуває відносну вогкість, рівну 100%. Легко бачити, що точку роси В (рис. 14.2, в) для повітря з початковими параметрами, відповідними точці А, можна знайти як ізотерму t_рос точки перетину вертикальної прямої, що проходить через А, з лінією φ = 100 %.

Сушка. Робоча лінія сушки. Якщо при розрахунку сушильного апарату відомий початковий стан повітря (точка В на рис. 14.2, г), а також один з параметрів, характеризуючий його на виході з сушарки (наприклад, відносна вогкість), то відповідно до рівняння (13.14) залежно від значення Δ робочі лінії процесу сушки можуть розташовуватися на діаграмі i – х у вигляді ліній ВС (Δ > 0); ВС' (Δ = 0) і ВС" (Δ < 0) (див. рис. 14.2, г).

Рушійна сила процесу сушки. Для визначення середньої рушійної сили процесу сушки відповідно до рівнянь (13.5) зручно користуватися i – х – діаграмою. Послідовність графічних побудов для цієї мети приведена на рис. 14.3, а, б.

 

Рис. 14.3 – Схема для визначення рушійної сили процесу сушіння: а – по парціальному тиску Δp_ср; б – по вологовмісту Δх_ср

 

Лекція 15

ПРИНЦИПОВІ СХЕМИ КОНВЕКТИВНОЇ СУШКИ

Окрім простої одноразової повітряної сушки, коли повітря нагрівається і один проходить через сушильну камеру (див. рис. 14.6, г) існує ряд інших варіантів.

 

15.1 Сушка з багатократним проміжним підігрівом повітря (рис. 15.1)

 

. Для здійснення процесу звичайно приймають максимальні і мінімальні значення температур повітря t_max і t_min. Повітря заздалегідь нагрівається калориферами 1 до t_max і після цього взаємодіє з вологим матеріалом в сушарці 2, охолоджуючись до температури t_min. Потім повітря знов нагрівають до температури t_max і направляють для взаємодії з вологим матеріалом, температура повітря знижується до t_min і т.д. Кінцеві параметри повітря в цьому випадку визначаються точкою В.

Розглянутий варіант сушки характеризується тим, що необхідна кількість теплоти підводиться до висушуваного матеріалу при зниженій температурі повітря. Пунктирні лінії показують, що для сушки без проміжного підігріву повітря потрібно б попереднє нагрівання його до температури t₁ (точка С), вищої, ніж t_max.

 

15.2 Сушка з частковим поверненням відпрацьованого повітря (рис. 15.2).

Початкове повітря змішується з частиною відпрацьованого повітря,

 

Рис. 15.1 – Сушіння з багатократним проміжним підігрівом повітря: а – схема процесу; б – зображення процесу на діаграмі Рамзіна: 1 – калорифер; 2 -- сушарка

Рис. 15.2 – Сушіння з частковим поверненням відпрацьованого повітря: а – схема процесу; б – зображення процесу на діаграмі: 1 – калорифер; 2 – сушарка; 3 -- вентилятор

яке повертається на вхід в сушарку вентилятором 3 (лінії АС і ВС), далі нагрівається калорифером 1 до необхідної температури t_D і після цього взаємодіє з висушуваним матеріалом в сушарці 2. Особливостями цього варіанту сушки в порівнянні з сушкою при одноразовому проході повітря є знижена температура повітря при контакті його з вологим матеріалом, підвищений початковий вологовміст повітря, його більша об'ємна витрата і лінійна швидкість повітря в сушильній камері, що приводить до збільшення коефіцієнтів масовіддачі.

 

15.3 Сушка із замкнутою циркуляцією газу (рис. 15.3, а)

Застосовується в тих випадках, коли як висушуючий газ використовують чисті і дорогі гази, або здійснюється сушка шкідливих, токсичних продуктів. У цих умовах відпрацьований газ не може відводитися в атмосферу, і з'являється необхідність замкнутої його циркуляції з подальшою утилізацією.

 

Рис.15.3 – Сушіння з замкнутою циркуляцією висушуючого газу: а – схема процесу; б – зображення процесу на діаграмі: 1 – калорифер; 2 – сушарка; 3 – конденсатор; 4,5 – збірники

 

Процес здійснюється таким чином. Повністю насичений водяними парами газ нагрівається калорифером 1 (це відповідає лінії АВ на рис. 15.3, б), внаслідок чого різко знижується його відносна вогкість і одночасно зростає висушуюча здатність. Після цього газ взаємодіє з вологим матеріалом в сушарці 2 (цей процес відображається лінією ВС), насищаючись вологою. Зволожений газ охолоджується до точки роси в конденсаторі 3 (цьому відповідає лінія СD), частина вологи, що знаходиться в ньому, конденсується в результаті додаткового охолоджування повітря і збирається в збірнику 4 (крива DА). Потім газ знов прямує на нагрівання і сушку, а сконденсована рідина відводиться в збірник 5.

Слід підкреслити, що, використовуючи той або інший робочий варіант сушки, можна лише прискорити або уповільнити процес масопередачі, зробити м'якшими або жорсткішими умови його проведення, але не можна істотно вплинути на витрату теплоти, оскільки вона, як було показано, визначається тільки початковими і кінцевими параметрами висушуючого газу.

 

Контактна сушка

Контактна сушка, або сушка, на гріючих поверхнях здійснюється при атмосферному тиску і під вакуумом, що знижує температуру сушки і збільшує її швидкість.

Матеріальний баланс контактної сушки можна описати рівнянням (14.8) і (14.9).

Тепловий баланс контактної сушки відображає два періоди здійснення процесу: нагрівання матеріалу до початкової температури сушки і власне сушка.

Відповідно витрата теплоти на нагрів матеріалу (перший період процесу контактної сушки) складе

 

 

де G_с._в — кількість сухої речовини, що міститься у вологому матеріалі, що подається на сушку; с_с.в — теплоємність сухої речовини; t_{с.н ,} t_н – початкові температури сушки і вологого матеріалу; W — кількість вологи, що міститься в початковому матеріалі і випаровується в процесі сушки; c_в — теплоємність вологи; Q_п._н — втрати в навколишнє середовище при нагріванні матеріалу.

Витрата теплоти власне на сушку (другий період) складає

 

де t_с.к — кінцева температура сушки; i — ентальпія водяної пари, що утворюється при сушці; Q_п._с — втрати теплоти в навколишнє середовище при сушці.

15.5 Радіаційна сушка здійснюється підведенням до матеріалу теплової енергії потоком інфрачервоного проміння. Оскільки питомі теплові потоки до матеріалу в десятки разів перевищують відповідні величини при контактній і конвективній сушці, відбувається інтенсивний нагрів і випаровування вологи з висушуваних тіл.

Як нагріваючі пристрої при радіаційній сушці застосовують або спеціальні електролампи із збільшеними нитками розжарення, або екрани або панелі, що нагріваються газом або електричним струмом. У сучасних установках ефективно використовуються випромінюючі насадки з безполуменевими пальниками. Радіаційні сушарки компактні і ефективні для сушки тонколистових матеріалів і забарвлених поверхонь.

Діелектрична сушка (сушка струмами високої частоти) призначена для висушування товстошарових матеріалів, коли необхідно регулювати швидкість сушки, температуру і вогкість не тільки на поверхні, але і в глибині матеріалу.

Фізичні основи діелектричної сушки полягають у тому, що під дією електричного поля іони і електрони в матеріалі міняють напрям руху синхронно із зміною заряду електродів, полярні молекули здобувають обертальний рух, а неполярні молекули поляризуються в результаті зсуву їх зарядів. Ці процеси приводять до виділення теплоти, яка рівномірно нагріває матеріал, сприяючи переміщенню вологи до периферійних шарів і випаровування її з поверхні тіла.

Таким чином можна сушити матеріали, що володіють діелектричними властивостями. Проте діелектрична сушка вимагає витрат енергії, що у декілька разів перевищують відповідні витрати на контактну або конвективну сушку, а також складнішого і дорожчого устаткування.

Сушка сублімації — видалення вологи, що знаходиться в матеріалі у вигляді льоду, переведенням в пару, минувши рідкий стан. Теплота, що витрачається на випаровування вологи, підводиться до матеріалу випромінюванням від порожнистих плит, що обігріваються теплоносієм (гарячою водою). Залишковий тиск в сушарках сублімацій складає 13... 133 Па (0,1... 1,0 мм рт. ст.), температура порядку - 50 °С.

Сушку виробляють при м'якому обігріві замороженого матеріалу, оскільки кількість передаваної теплоти не повинна перевищувати її витрату на сублімацію льоду без його плавлення.

Спосіб сушки сублімації дорогий і доцільний тільки в тих випадках, коли до висушеного продукту пред'являються високі вимоги по збереженню властивостей при тривалому зберіганні (зокрема, біологічних).

Сушку сублімації застосовують для висушування плазми крові, лікарських препаратів, високоякісних продуктів харчування і т.д.

 

 

Лекція 16

КОНСТРУКЦІЇ СУШАРОК

Сучасна техніка сушки надзвичайно різноманітна. Прагнення до інтенсифікації процесів сушки і продуктивності одиничного агрегату привело до створення різноманітних конструкцій сушильного устаткування.

Сушарки класифікують:

• за принципом дії (періодичні і безперервні);

• по вигляду сушильного агента (повітряні, газові, парові);

• по величині тиску (атмосферні, вакуумні);

• по напряму руху матеріалу і сушильного агента для конвективних сушарок (протитічні, прямотічні, з перехресним струмом);

• за станом висушуваного шару (нерухомий, рухомий, зважений і фонтануючий);

• за способом підведення теплоти до висушуваного матеріалу: контактні (кондуктивні), конвективні (повітряні і газові), спеціальні.

16.1 Сушарки для контактної сушки

 

Контактну сушку використовують в тих випадках, коли безпосередній контакт висушуваного матеріалу і сушильного агента недопустимі.

16.1.1 Сушильна шафа — сушарка періодичної дії (рис. 16.1), що є горизонтальним циліндровим корпусом 1 з гріючими плитами 2, на яких розташовується висушуваний матеріал. Шафи можуть працювати як при атмосферному тиску, так і під вакуумом. Пари, що утворилися, відводяться через патрубок 3.

До недоліків сушильних шаф відносяться неможливість проведення безперервних процесів, наявність ручних операцій, мала продуктивність. Сушильні шафи застосовують в малотоннажних і штучних виробництвах, для сушки різнорідних матеріалів.

 

Рис. 16.1 - Схема сушильної шафи:

1 — корпус; 2 — гріючі плити; 3 — патрубок

 

16.1.2 Гребкові сушарки є складнішими апаратами (рис. 16.2). Звичайно вони мають горизонтальний циліндровий корпус 1, усередині якого знаходиться гребкова мішалка 6. Апарат забезпечений завантажувальним 4 і розвантажувальним 3 люками, паровою оболонкою 2. Патрубок 5 служить для відведення пари, що утворюється при сушці, або в атмосферу, або у вакуум-конденсаційну систему. Висушуваний матеріал заповнює звичайно 0,2...0,3 загального об'єму апарату. Гребки мішалки розташовані під кутом до осі апарату і можуть обертатися в різних напрямах. Завдяки цьому матеріал переміщається зліва направо або справа наліво. В процесі сушки, а також вивантаження висушеного матеріалу з апарату напрям обертання мішалки періодично змінюють.

16.1.3 Вальцьові сушарки застосовуються для сушки пастоподібних і липких матеріалів. Сушка в них здійснюється на зовнішніх поверхнях порожнистих барабанів, що обертаються, в які подається теплоносій (насичена водяна пара). Тонкий шар матеріалу, що утворився в результаті сушки за один оборот барабана, знімається ножем.

Вальцьові сушарки можуть бути як одно-, так і двовальцьовими.

Всі приведені конструкції можуть працювати під вакуумом, що має ряд істотних переваг перед сушкою при атмосферному тиску: незалежність процесу від атмосферних умов; створення стерильності середовища; сушка при низьких температурах, що особливо важливо для обробки речовин, що не витримують високотемпературного нагріву; швидкість сушки; менша витрата теплоти; менші габаритні розміри установки; можливість повнішого уловлювання цінної або шкідливої пари, що виділяється при сушці; пожежобезпечність.

До недоліків вакуум-сушки слід віднести вищу вартість сушильного агрегату (який включає окрім сушарки з нагрівальними елементами конденсатор для конденсації пари, що відганяється, і вакуум-насос для створення розрідження в системі).

Рис. 16.2 – Гребкова сушарка:

1 – корпус; 2 – парова оболонка; 3,4 – люки для завантаження-розвантаження; 5 – патрубок; 6 – гребкова мішалка