Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный анализ вопросов тепломассопереноса при сушке пористых сред
1.1. Теоретические работы 7
1.2. Экспериментальные работы 21
1.3 Сушильные установки 24
ГЛАВА 2. Математическая модель конвективной сушки пористой среды
2.1. Уравнения, описывающие тепломассоперенос при сушке пористого слоя 28
2.2 Постановка автомодельной задачи о сушке пористой среды, насыщенной жидкостью 34
2.3 Тепломассоперенос в диффузионном приближении 37
2.4 Автомодельная постановка задачи в диффузионном приближении 38
2.5. Анализ решений 42
2.6. Динамика процессов тепломассопереноса при сушке пористой среды конечных размеров 67
2.7 Анализ решений 71
ГЛАВА 3. Моделирование процессов тепломассопереноса в ленточной сушилке
3.1 .Устройство и принцип действия ленточных сушилок 90
3.2 Основные допущения 92
3.3 Уравнения масс 92
3.4 Уравнения энергии 93
3.5 Межфазный тепломассообмен 94
3.6 Преобразование системы уравнений к виду, удобному для численного интегрирования 97
3.7. Результаты численных расчетов 99
Заключение 113
Литература 115
- Постановка автомодельной задачи о сушке пористой среды, насыщенной жидкостью
- Автомодельная постановка задачи в диффузионном приближении
- Основные допущения
- Преобразование системы уравнений к виду, удобному для численного интегрирования
Введение к работе
Процессы переноса во влажных пористых средах при тепловом воздействии актуальны с точки зрения сушки, которая широко распространена во многих отраслях народного хозяйства: химико-лесной комплекс, сельское хозяйство, пищевая, строительных материалов, кожевенная, легкая и другие. При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми механическими способами, окончательно — тепловыми. Сушка влажных материалов отличается высокой энергоемкостью, что связано как со значительными объемами испаряемой влаги, так и с большой удельной теплотой ее испарения.
Применяемые в промышленности виды сушилок сильно различаются по технологическим признакам: давлению (атмосферные и вакуумные), периодичности процесса, способу подвода тепла (конвективные, контактные, радиационные, с нагревом токами высокой частоты), роду сушильного агента (воздушные, газовые, сушилки на перегретом паре), направлениям движения материала и сушильного агента (прямоточные и противоточные) и т.д. В связи с этим остро встает вопрос об эффективности тех или иных режимов сушки. Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованию процессов сушки (Лыков [62, 65], Сажин [86-92], Акулич [2-9]), необходимо систематическое параметрическое исследование диффузионного и диффузионно-конвективного режимов удаления влаги из материала.
Для разработки научных основ технологий, позволяющих оптимально использовать процессы сушки в пористых средах, необходимо построение адекватных математических моделей, расширяющих теоретические представления о теплофизических и гидродинамических особенностях данных процессов, что определило цель настоящей работы: - анализ влияния- условий сушки и параметров пористой среды на динамику диффузионно-конвективных процессов тепломассопереноса; - теоретическое изучение процессов, происходящих при сушке пористых материалов, насыщенных водой, и моделирование сушки в технологическом реакторе (ленточная сушилка).
Научная новизна. Наиболее важные результаты следующие: решены автомодельные задачи о сушке пористой среды в диффузионном приближении и с учетом конвективного переноса, задача о сушке пористой среды конечного размера, и построены решения, описывающие распределения основных термодинамических параметров в среде; показано, что в зависимости от исходных параметров пористой среды, насыщенной водой, на границе раздела сухой и влажной зон может возникать максимум влагосодержания либо минимум температуры; установлено, что диффузионный механизм переноса доминирует над конвективным при мягких режимах сушки. предложена математическая модель процесса сушки пористого ленточного материала в секционной сушилке. установлены основные закономерности процесса сушки влажного пористого материала в зависимости от исходного влагосодержания, скорости ленты, соотношения тепловых мощностей калориферов по секциям сушилки и объемного расхода вытяжных вентиляторов;
Достоверность результатов диссертации основана на использовании фундаментальных уравнений механики многофазных систем, обусловлена корректной постановкой задач, а также получением решений, не противоречащих общим термодинамическим представлениям и согласующихся в случае задачи о ленточной сушилке с производственными данными для основного режима функционирования.
Практическая ценность. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке научных основ технологии оптимизации работы ленточных сушилок и конвективной сушки пористых материалов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 126 страниц, в том числе 28 рисунков. Список литературы состоит из 120 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы исследований. Сформулирована цель и кратко изложена структура диссертации.
В первой главе приведен обзор работ, посвященных исследованию процесса сушки. Обсуждаются исследования, проведенные отечественными и зарубежными учеными, в числе которых Лыков А. В., Сажин Б. С, Акулич П. В. и др., посвященные математическому моделированию процессов сушки, экспериментальным работам и принципам функционирования сушилок.
Во второй главе рассмотрен ряд задач тепломассопереноса при сушке пористой среды, насыщенной водой: автомодельные задачи о сушке пористой среды в диффузионном приближении и с учетом конвективного переноса, задача о сушке пористой среды конечной толщины. Исследуются теплофизические процессы. Получены численные решения для одномерных задач в автомодельной и конечно-разностной постановке. Показано, что при сушке пористой среды, насыщенной водой, может возникать максимум влагосодержания или температурный минимум на подвижной границе. Установлено, что диффузионный механизм переноса является доминирующим над конвективным при мягких режимах сушки.
В третьей главе Рассмотрена задача о * моделировании функционирования ленточной сушилки. Построены решения, описывающие распределения основных теплофизических параметров в сушилке. Установлены основные закономерности процесса сушки влажного пористого материала в зависимости от исходного влагосодержания, скорости ленты, соотношения тепловых мощностей секций сушилки и объемного расхода вытяжных вентиляторов. Показано как качественное, так и количественное соответствие результатов. Указаны пути оптимизации процесса сушки подаваемого сырья.
В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях и научных школах: научные семинары кафедры прикладной математики и механики Стерлитамакской государственной педагогической академии под руководством член-корр. АН РБ, д.ф.-м.н. Шагапова В.Ш. (2003-2009 гг.)
III Всероссийская научно-теоретическая конференция «ЭВТ в обучении и моделировании» (Бирск, 2004) X Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-10, Москва, 2004)
IV Региональная школа-конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2004)
IV Региональная научно-практическая конференция "ЭВТ в обучении и моделировании" (Бирск, 2005)
Российская конференция "Механика и химическая физика сплошных сред" (Бирск, 2007)
Всероссийская конференция молодых ученых "Неравновесные процессы в сплошных средах" (Пермь, 2007)
Всероссийская научно-практическая конференция "Информационные технологии в высшей и средней школе" (Нижневартовск, 2008)
Международная конференция, посвященная 100-летию памяти академика Халила Ахмедовича Рахматуллина "Современные проблемы газовой и волновой динамики" (Москва, 2009)
Основные результаты диссертации опубликованы в девяти работах.
Постановка автомодельной задачи о сушке пористой среды, насыщенной жидкостью
В настоящее время одним из развивающихся направлений повышения эффективности тепломассообменных процессов является создание нестационарных дискретно-импульсных режимов ввода энергии в дисперсные системы, волновых и резонансных режимов течения несущей фазы с конечной амплитудой колебаний скорости и давления. Это обусловлено тем, что нестационарные режимы движения фаз приводят к интенсификации ряда тепловых и массообменных технологических процессов (горения, растворения, сушки, экстракции и т. п.) [7, 8, 70]. Для создания таких режимов течения применяются различные устройства: разнообразные клапаны, акустические излучатели, камеры пульсационного горения и др. Особо следует отметить развитие нестационарных волновых режимов течения несущей фазы (газа, жидкости) с конечной амплитудой колебаний скорости и давления (резонансных течений). Такие режимы создаются, например, в камерах пульсационного горения [5, ИЗ]. В последние годы возобновился интерес исследователей и производителей оборудования к использованию в процессах сушки и теплотехнологиях перегретого пара. Это вызвано, с одной стороны, увеличением интенсивности процессов теплообмена при температурах перегретого пара выше 200 С по сравнению с использованием нагретого воздуха, а с другой — возможностью утилизации теплоты отходящих газов путем конденсации водяных паров. В связи с этим научный и практический интерес представляет изучение влияния колебаний сжимаемого перегретого пара с конечной амплитудой скорости (расхода) на динамику твердых частиц и межфазный тепломассообмен. В [67] проведены исследования структурно-механических (реологических) свойств, потери массы и усадки казеина (одного из распространенных и широко применяемых в промышленности биополимеров) при переходе коллоидного тела в капиллярно-пористое в процессе сушки. Различные скорости кондуктивнои сушки определялись заданной температурой. Для измерения этих свойств материала в процессе сушки применен метод механической фурье-спектроскопии. Построена простейшая модель линейного вязкоупругого тела с одним временем релаксации и переменными параметрами, которые определяются кинетикой сушки. Установлено, что кинетика сушки может быть описана макрокинетическим уравнением первого порядка.
В [18] обобщаются результаты экспериментальных теплофизических и оптических исследований кинетики сушки высокомолекулярных термолабильных биополимеров пектинов и их биосовместимых композиций в условиях пониженных давлений и особенности формирования и упорядочения структуры материала при переходе из коллоидного в капиллярно-пористое состояние. Учитывалось также влияние термодинамических условий на показатели качества материала. Объектами исследования служили пектин и пектинсодержащий порошок, представляющий собой физическую смесь, в которой пектин находится в свободном растворимом состоянии. Биологические и медицинские препараты, полученные методом сублимационной сушки (СС), представляют собой широкий класс материалов, остро необходимых человеку. Корректная регистрация кинетики и динамики во II периоде СС является наиболее важным этапом для сохранения качества этих препаратов. Впервые кривые скорости сушки во IIі периоде различных материалов методом теплометрии получены Д. П. Лебедевым [58]. Одновременно на основе модели объемной зональной СС методом радиоактивных индикаторов изучен внутренний механизм обезвоживания, исследована динамика развития полей влагосодержания и температуры в материале [59]. Установлено, что для материалов с толщиной слоя более 5-10" м влажность в их сухой части соответствует количеству адсорбционно-связанной влаги Wk2 уже в начале свертки зоны сублимации. После удаления всей кристаллической влаги в материале происходит удаление связанной влаги и уменьшение Wo- В соответствии с результатами теплометрического метода контроля кривые скорости сушки и кривые сушки биологических и медицинских препаратов имеют S-образный вид, вытянутый вдоль оси времени. На кривых присутствуют три характерные точки: ki — начало удаления последних кристаллов свободной влаги (влажность материалов Wki); k2 — начало удаления адсорбционно-связанной влаги при равновесной влажности, Wp, где dU/dt = 0. Проведенные Д. П. Лебедевым исследования [60] проницаемости зерен пшеницы в инфракрасном спектре обосновали выбор сушки в падающем слое толщиной до трёх диаметров зерна. На основе данных о проницаемости зерна пшеницы установлен механизм теплообмена и газодинамики сушки зерна в падающем слое. Из теплового и аэродинамического баланса сушилки определены наиболее энергозатратные этапы обезвоживания, методы контроля и регулирования процесса сушки зерна в условиях устойчивого падающего слоя зерна. Широкое распространение в производстве пробиотиков находит метод распылительного обезвоживания продуктов микробиологического синтеза, позволяющий создавать такие продукты с достаточно высокими качественными показателями.
Объектами исследований [77] были бактериальные препараты, содержащие различные штаммы бактерий и применяющиеся как профилактические и лечебные средства в медицине и ветеринарии. Рассмотрены вопросы оптимизации теплотехнологических параметров распылительной сушки. В [96] исследованы физико-технологические свойства, в том числе теплофизические и сорбционные, семян рапса и горчицы различных сортов как объектов сушки при разной исходной влажности. Кинетику сушки изучали в условиях, близких к условиям работы наиболее распространенных шахтных прямоточных и рециркуляционных зерносушилок, - в плотном слое толщиной 50-100 мм при скорости сушильного агента 0,4 м/с. Диапазон изменения температуры сушильного агента составил 50-100С, что характерно для сушки семян технического, пищевого и семенного назначения. Использовано уравнение кинетики сушки [24]. Начальная влажность и температура семян рапса и горчицы были приняты в диапазоне их возможных значений в условиях послеуборочной обработки. На основании проведенных
Автомодельная постановка задачи в диффузионном приближении
Ускоренный метод сушки материала термомеханическим способом путем сброса давления впервые применен Флейсснером в 1926 г. для сушки угля [69]. Интенсификация переноса тепла и вещества в дисперсных средах при термомеханической сушке была отмечена в работах [62, 68, 105]. При таком способе влажный материал предварительно прогревается в герметичной камере с ростом давления, затем при быстром сбросе давления из камеры за счет аккумулированного тепла происходит бурное парообразование в объеме материала. Молярный поток пара выбрасывает частицы жидкости, в результате существенно снижаются затраты тепла на сушку. Этот способ используется не только для сушки различных материалов, но и для разрушения древесины при получении щепы. Как было показано ранее в работе [29], процесс термомеханической сушки зависит от ряда факторов, главными из которых являются температура и давление парогазовой среды в сушильной камере, продолжительность и количество циклов сушки, параметры древесины (влажность, температура, масса), скорость сброса давления и др.. В экспериментальном исследовании [28] образец древесины помещался в герметичную цилиндрическую камеру. Вследствие нагрева образца (за счет лучистого и конвективного теплообмена) и испарения содержащейся в материале влаги давление в камере возрастало. Затем осуществлялся сброс давления из камеры, при этомпаровоздушная смесь с частицами аэрозоля выбрасывалась из цилиндра. Пар конденсировался в системе улавливания, где контролировалась масса поступающей жидкости, а также температура охлаждающей жидкости. В результате проведенных исследований при давлении в древесине до 0,6 МПа установлена высокая скорость процесса термомеханической сушки древесины: для образцов диаметром 0,1 м время сушки составило 10-12 ч, в зависимости от исходной влажности. Заметные трещины и дефекты, характерные для интенсивной конвективной сушки цилиндрических изделий, отсутствуют. Высокотемпературный термомеханический метод ускоряет диффузию и молярный перенос пара в порах, обеспечивая низкие градиенты влагосодержания и, следовательно, низкие напряжения в материале, что применительно к древесине улучшает качество сушки.
Одним из наиболее эффективных способов повышения интенсивности теплообмена при фазовых переходах является нанесение на поверхность нагрева капиллярно-пористого покрытия. Эксперименты показывают, что при парообразовании на поверхности с напыленным металлическим покрытием коэффициенты теплоотдачи в 3-5 раз, а в спеченном из медного порошка пористом слое - на порядок выше, чем на поверхности без покрытия [20, 119]. Если процесс происходит на горизонтальной цилиндрической поверхности, интенсивность теплообмена в определенном диапазоне тепловых нагрузок может быть увеличена при изменении высоты уровня жидкости и организации комбинированного способа подвода жидкой фазы к местам образования пара [21]. Пористое тело рассматривается как система микро- и макропор. По микропорам жидкость под действием капиллярных сил подводится к макропорам, испарение происходит с поверхности криволинейных менисков в устьях микропор, образующийся пар отводится по макропорам. На основании формул, полученных из решения соответствующих кинетических задач массопереноса в капиллярах при различных числах Кнудсена [76], находится массовый расход пара/ через макропоры, который зависит от параметров пористого слоя плотноститеплового потока. Разработанная методика нуждается в экспериментальной проверке на образцах с различными параметрами пористого покрытия при использовании ряда рабочих жидкостей.
В настоящее время одним из развивающихся направлений повышения эффективности тепломассообменных процессов является создание нестационарных дискретно-импульсных режимов ввода энергии в дисперсные системы, волновых и резонансных режимов течения несущей фазы с конечной амплитудой колебаний скорости и давления. Это обусловлено тем, что нестационарные режимы движения фаз приводят к интенсификации ряда тепловых и массообменных технологических процессов (горения, растворения, сушки, экстракции и т. п.) [7, 8, 70]. Для создания таких режимов течения применяются различные устройства: разнообразные клапаны, акустические излучатели, камеры пульсационного горения и др. Особо следует отметить развитие нестационарных волновых режимов течения несущей фазы (газа, жидкости) с конечной амплитудой колебаний скорости и давления (резонансных течений). Такие режимы создаются, например, в камерах пульсационного горения [5, ИЗ]. В последние годы возобновился интерес исследователей и производителей оборудования к использованию в процессах сушки и теплотехнологиях перегретого пара. Это вызвано, с одной стороны, увеличением интенсивности процессов теплообмена при температурах перегретого пара выше 200 С по сравнению с использованием нагретого воздуха, а с другой — возможностью утилизации теплоты отходящих газов путем конденсации водяных паров. В связи с этим научный и практический интерес представляет изучение влияния колебаний сжимаемого перегретого пара с конечной амплитудой скорости (расхода) на динамику твердых частиц и межфазный тепломассообмен.
Основные допущения
Ленточные сушилки широко распространены в различных производствах. В тех случаях, когда требуется щадящее обезвоживание материала, обычно используются секционные сушилки (Сажин 1984). Как правило, сушилки представляют собой камеры, разделенные на секции горизонтальными перегородками из теплозащитного материала. Сырье подается в сушилку сверху в виде ленты и перемещается по системе транспортеров вниз. При этом лента обдувается встречным потоком горячего воздуха и выходит из сушилки в сухом виде. Снизу сушилки подается сухой воздух, который насыщается влагой и выходит сверху через вытяжные вентиляторы. По бокам от движущейся ленты расположены циркуляционные вентиляторы. Они засасывают воздух из сушильной камеры, подают его на калориферы, где он подогревается и поступает обратно в сушильную камеру. Тем самым обеспечивается непрерывная циркуляция воздуха в сушильной камере, что в свою очередь способствует интенсификации испарения. В Работа сушилки, как и функционирование большинства химических реакторов, представляет собой совокупность взаимосвязанных теплофизических и гидродинамических процессов. Скорость и температура газовых потоков определяют интенсивность тепломассообмена между составляющими системы, т.е. скорость сушки, поэтому математическое описание рассматриваемых процессов требует совместного учета отмеченных явлений в рамках уравнений механики гетерогенных систем (Нигматуллин 1987). Рассмотрим установившийся режим функционирования сушильной камеры. Давление воздуха в ней постоянно и равно атмосферному. Учитывая, что циркуляционные вентиляторы интенсивно перемешивают парогазовую смесь, будем считать, что температура газа и концентрации его компонент постоянны в пределах отдельной секции. Парогазовая смесь состоит из двух компонент, а именно водяного пара и сухого воздуха, не участвующего в фазовых переходах. Предполагается, что испарение жидкости происходит в живом поровом объеме внутри ленты, заполненного смесью из насыщенного водяного пара и воздуха. Будем считать, что средняя по толщине температура однородна по ширине ленты. Лента толщиной h и шириной Ъ движется с постоянной скоростью vt; плотность рх (tape — лента) и пористость т ленты постоянны в процессе сушки, т.е. процессом усадки будем пренебрегать. Под объемным влагосодержанием S\ (liquid — жидкость) будем понимать долю объема пор, занятого водой. Здесь и в дальнейшем нижние индексы t, 1 соответствуют ленте и воде в ней. При установившемся процессе локальное состояние участка ленты зависит только-: от его положения, отсчитываемого от входа в сушилку. Данное предположение позволяет существенно упростить модель сушилки и свести ее к одномерной.
Под массовым расходом материала М( и воды М\ будем понимать массу вещества, проходящего в единицу времени через поперечное сечение ленты Тогда уравнения сохранения масс для ленты и воды можно записать в виде: где J t — интенсивность массопереноса между лентой и газом, отнесённая к единице длины ленты. Для того чтобы описать массовые расходы вещества, поступающего в отдельную секцию и выходящего из нее, будем пользоваться индексами і и і+1 для верхней и нижней границ /-и секции соответственно. Нумерация секций начинается сверху. В і-ю секцию снизу поступают водяной пар и воздух, а сверху лента с массовыми расходами воды М\ и материала Мх. массовый расход воздуха постоянен во всех секциях, так как он не участвует в фазовых переходах. Массовые расходы компонент газовой фазы /-и секции связаны с общим массовым расходом газа Mgl соотношениями: где kai, kvi — массовые концентрации, Мш, MYi — массовые расходы воздуха и пара соответственно, нижний индекс «а» относится к воздуху (air — воздух), «v» — к водяному пару (vapor — пар). Учитывая, что во всех секциях кроме нижней нет притока холодного атмосферного воздуха, массовые расходы воды и водяного пара будут связаны на границах секций следующим соотношением: где М\ І — массовый расход воды на входе в і-ю секцию, М\ \+\ — массовый расход воды на входе в і+1-ю секцию. Уравнение теплового баланса для влажной ленты запишем с учетом теплообмена с газовой фазой и фазовых переходов в виде: где Tt — средняя по толщине температура ленты, сь с\ — удельные теплоемкости материала и воды, q&— интенсивность теплопереноса от газовой фазы к ленте, отнесенная на единицу длины ленты, L — удельная теплота парообразования. где сХ), са — удельные теплоемкости пара и воздуха, Тк — температура кипения воды (ГК=100С), к которой отнесена теплота испарения L, Nt — мощность калориферов в і — й секции. Здесь первое слагаемое есть затраты тепла на прогрев ленты с водой, выходящей вниз из 1-й секции, второе — на прогрев газа, вошедшего снизу из (/ + 1)- й, третье — на нагревание той массы воды, которая вошла в / - ю секцию сверху с лентой при температуре Тц, ее испарение, и дальнейшее нагревание пара до температуры Tgl, с которой он выходит наверх в общем потоке газа. На основе уравнения теплового баланса (3.4.2) полагая, что при прохождении ленты через сушилку происходит полное испарение воды, получим выражение для минимальной мощности калориферов N (N=ZNJ, необходимой для работы сушилки.
Она зависит от температур Tt0, Tg0 на входе и Tie, Tge, на выходе, от ее производительности Мъ расхода воздуха Ма и влаги М\\ между газом и лентой запишем с учетом теплового сопротивления обеих фаз: где fig?, jBJ , J3J?, — коэффициенты теплообмена между газом и материалом, газом и поверхностью ленты, поверхностью ленты и материалом соответственно; Л& Хь Х\, — теплопроводности газа, материала и воды соответственно; п — характерная толщина пограничного слоя газа, в котором происходит выравнивание температуры газа и поверхности ленты; кё — коэффициент температуропроводности газа; vg — характерная линейная скорость газа в камере, определяемая характеристиками вентиляторов. Массоперенос между газом и лентой может происходить в двух режимах: диффузионном — когда интенсивность определяется разностью концентраций пара в порах и в камере; тепловом — когда испарение лимитируется поступающим снаружи теплом. При этом давление пара в порах равно атмосферному. Интенсивность массообмена между газом и лентой за счет диффузии запишем аналогично теплообмену, при этом концентрацию пара в порах k v будем считать усредненной по толщине: где /?g, ,y#gff ,Дт, — коэффициенты массообмена между газом и материалом, газом и поверхностью ленты, поверхностью ленты и материалом соответственно, D%— коэффициент диффузии газа, п — характерная толщина диффузионного приграничного слоя газа, в котором происходит выравнивание концентрации пара в газе вблизи поверхности ленты. Здесь штрихи относятся к параметрам газа в порах.
Преобразование системы уравнений к виду, удобному для численного интегрирования
Результаты, приведенные ниже, получены при моделировании работы секционной ленточной сушилки, установленной в цехе Е2 ЗАО "Каучук" г. Стерлитамак. Сушилка разделена на 4 секции: в первой (верхней) секции размещены 5 горизонтальных транспортёров, во второй — также 5, в третьей — 7, в четвёртой — 2. Количество калориферов и циркуляционных вентиляторов по секциям соответственно равно 8, 8, 4, 0. Лента и воздух подаются в сушилку при температуре окружающей среды: Tt0=Tw=Tgli=20oC. Объемный расход выходящей из сушилки парогазовой смеси F=3.5 м3/с. Характерные скорости газа, циркулирующего по секциям, взяты из оценки производственных режимов ленточной сушилки: Vgj—Юм/с, Vg2=l(bf/c, vg3=5./w/c, vg =0.Lw/c. Мощности калориферов Nt распределены в следующем Ниже приведены расчеты для двух режимов, отличающихся начальным влагосодержанием: 5іо=0.9 (рис. 3.7.1) и 5 0=0.8 (рис.3.7.2). Представлены распределения температурных (а) и концентрационных (б) полей, а также влагосодержания (в) по длине ленты. Поскольку на входе в сушилку лента находится при температуре окружающей среды, то, как видно из рис. 3.7.1, концентрация паров воды в порах меньше их концентрации в выходящем потоке горячего газа. Это приводит к некоторой конденсации воды на ленте. По мере прогрева ленты концентрация пара в порах повышается и начинается испарение. Замеренные значения влагосодержания не подтверждают этот эффект на практике. Возможно, это связано с тем, что на начальном этапе сушки (1—2 минуты) усреднение температуры ленты по толщине является некорректным, так как транспорт влаги происходит с быстро прогревшихся поверхностных слоев ленты, кроме того, возможная конденсация воды на поверхности ленты не учитывается потому, что при непосредственном измерении влагосодержания эта влага стряхивается. В зависимости от начального влагосодержания температура ленты в секции может стабилизироваться на различных значениях.
При iS\o=0.9 (рис. 3.7.1) в силу малой "живой пористости" m = m(\ — Sx) диффузионный массообмен на этапе прогрева затруднен, поэтому подводимое снаружи тепло идет в основном на прогрев ленты, температура которой довольно быстро достигает Гк и нагревание прекращается, испарение переходит в кипение. При этом все подводимое тепло, поступающее от газа к ленте, идет на парообразование. По мере высушивания материала "живая пористость" увеличивается. Это приводит тому, что уменьшается теплообмен, т.к. он идет и по материалу, и по жидкости. Во-вторых, увеличивается диффузионный массообмен. При этом лента даже начнет охлаждаться. При меньшем начальном влагосодержании 5ю=0.8 (рис. 3.7.2) по указанным причинам температура ленты во время сушки в первой зоне так и не достигает 7 . Важно отметить, что при увеличении начального влагосодержания S\0 происходит рост эффективной мощности калориферов согласно (3.7.3). Это можно объяснить тем, что при большем б ю в газе увеличивается массовая концентрация пара. Поскольку теплоемкость пара примерно в два раза больше теплоемкости воздуха, паровоздушная смесь снимает с калориферов больше тепла, чем поток сухого воздуха. Тем самым обеспечивается более интенсивный тепло- и массообмен с лентой. Во второй зоне в силу меньшего теплообмена наблюдается дальнейшее охлаждение ленты и практически полное высыхание, после чего ее температура достаточно быстро выравнивается с температурой газа. В третьей зоне практически вся энергия калориферов тратится на прогрев холодного воздуха поступающего снизу. На практике здесь происходит досушивание незначительной части воды, находящейся в наиболее мелких капиллярах и потому сильнее связанной (рис.3.7.1.а). В четвертой зоне происходит охлаждение ленты до приемлемой температуры 50С и незначительный прогрев газа, поступающего снизу при температуре окружающей среды. С увеличением начального влагосодержания температура газа в первой зоне непрерывно растет (рис. 3.7.3а). Это связано с тем, что процесс сушки требует больше энергии, а в первой зоне он идет наиболее интенсивно. При малых S\Q температура газа во второй зоне существенно выше температуры газа в первой зоне. Поскольку при этом режиме основная часть воды испаряется уже в первой зоне (рис. 3.7.36) и энергия калориферов второй зоны тратиться в меньшей степени на испарение и в большей на нагрев газа. Это, в свою очередь, приводит к более высокому теплообмену между газом и лентой, быстрому ее досушиванию (рис. 3.7.3в) и перегреву во второй зоне (рис. 3.7.3а). На практике такие режимы являются нежелательными ввиду спекания каучука при температуре выше 160 С. При больших начальных влагосодержаниях S\o температура газа во второй зоне начинает расти, так как доля воды, испаряющейся в ней, достигает 0,45-0,5 (рис 3.7.36), а это требует интенсивного теплообмена ленты с газом. При этом лента высыхает в конце второй, начале третьей зон (рис 3.7.3в) и не перегревается (рис 3.7.3а). Увеличение скорости движения ленты приводит к аналогичному эффекту, происходящему при росте начального влагосодержания (рис. 3.7.4). В этом случае так же возрастает массовый расход воды, и тем самым мощность, потребляемая от калориферов согласно условию баланса. Управляя скоростью ленты, можно реализовать такой режим, чтобы ее полное высыхание происходило ближе к выходу из сушилки. В таком режиме достигается более щадящее и равномерное условие сушки.
Кроме того, при этом растет производительность установки. Но с другой стороны, чрезмерное увеличение скорости ленты может привести к тому, что материал не успеет высохнуть полностью. На рис. 3.7.5 показаны основные характеристики процесса сушки (температура воздуха и максимальная температура ленты в секциях, доля воды, оставшаяся в ленте после первой секции, приведенная координата высыхания ленты) в зависимости от мощности калориферов первой секции в общей тепловой мощности сушилки. Из рисунка видно, что при малых значениях коэффициента К\ снижается интенсивность процесса сушки в первой секции. Увеличение коэффициента К{ ведет к тому, что во второй секции большая доля потребляемого тепла тратится на нагревание воздуха, что ведет к перегреву ленты. Для исходного объемного влагосодержания 10=0.91 оптимальным представляется диапазон значений К1 = 0.5 ч- 0.9. Для меньших влагосодержаний (S\o=0.7 0=0.8) для подбора оптимального режима сушки требуется увеличение скорости ленты.
