Кривые сушки и скорости сушки

 

Процесс сушки материала можно разбить на три этапа:

1) перемещение влаги внутри высушиваемого материала по направлению к его поверхности;

2) парообразование;

3) перемещение пара от поверхности материала.

Первый этап мы уже рассмотрели, второй, парообразование может протекать как на поверхности материала, так и внутри его. Рассмотрим, как протекает третий этап этого процесса.

На поверхности влажного материала образуется пограничный воздушно-паровой слой, который находится в равновесии с влагой материала. Вследствие диффузии пара через пограничный слой воздуха у поверхности материала осуществляется перенос до 90 % всей влаги. Его движущей силой является разность концентраций или разность парциальных давлений пара у поверхности материала p_м и в окружающей среде p_n. Некоторое количество влаги переносится за счет движения молекул пара в пограничном слое (мольный перенос). А перепад температур в пограничном слое ускоряет перемещение молекул пара (термодиффузия).

Вначале, при большой влажности материала пар у его поверхности является насыщенным (p_м = p_n) и соответствует температуре мокрого термометра t_м. В этот период происходит интенсивное поступление влаги из внутренних слоев материала к его поверхности. Скорость поверхностного испарения влаги из материала равна скорости испарения её со свободной поверхности жидкости.

Количество влаги прошедшей через пограничный слой в окружающую среду, должно быть равным количеству влаги подведенной к этому слою из материала. Скорость сушки может ограничиваться этими процессами и зависит от свойств материала и режима сушки.

Рассмотрим процесс сушки в координатах W^c и τ (рисунок 14).

 

Рисунок 14 – Изменение влажности материала от продолжительности высушивания

 

В начале сушки в течение небольшого промежутка времени линия имеет вид кривой (АВ) - это период прогрева материала. Затем наступает период постоянной скорости сушки - прямая ВС. В точке С, соответствующей влажности W^с_кр1, характер линий изменяется, начинается второй период - период падающей скорости СЕ. Линия СЕ состоит из двух участков разной кривизны (СD и DЕ). Точка перегиба D соответствует второй критической влажности W^с_кр2. В конце второго периода сушки влажность материала асимптотически приближается к равновесию.

В первый период происходит удаление свободной влаги (влаги макрокапилляров и смачивания). Когда свободная влага полностью удалена, наступает второй период - период удаления связанной влаги. В этот период форма кривой сушки зависит от характера связи влаги с материалом. Кроме кривой сушки для анализа сушки служит кривая скорости сушки. Скорость сушки определяется уменьшением влажности материала за некоторый бесконечно малый промежуток времени

 

                                                       (65)

 

Для ее построения используется кривая сушки (рисунок 15).

 

 

Рисунок 15 – Изменение влажности материала от скорости сушки

 

Горизонтальный отрезок ВС отвечает периоду постоянной скорости. В период убывающей скорости (СЕ) характер кривых скорости сушки различен в зависимости от характера материала и вида связи в нем влаги, т.к. скорость сушки определяется скоростью внутренней диффузии влаги из глубины материала к его поверхности.

Простейшая линия сушки, типа кривой 1, характерна для грубопористых материалов (бумага, тонкий картон). Линия типа кривой 2 соответствует сушке ткани, тонкой кожи, макаронного теста. Кривая 3 - характерна для керамических материалов, теряющих в процессе сушки в основном капиллярную влагу. Эти кривые имеют только одну критическую точку. Кривая 5 характерна для сушки сухарей, кривая 4 для сушки глины. На этих кривых наблюдается вторая критическая точка, которая соответствует влажности, при которой изменяется механизм перемещения влаги в материале (начало удаления адсорбционно связанной влаги).

Для анализа процесса сушки также важно знать характер изменения температуры материала t_мат в зависимости от его влажности W, т.к. с изменением температуры могут изменяться свойства 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.