Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о процессе сушки влажных материалов при конвективном подводе теплоты 10
1.1. Равновесие в двухфазной системе влажный материал – сушильный агент 10
1.2. Кинетика сушки влажного материала 17
1.3. Анализ современных конструкций конвективных сушилок периодического действия 29
1.4. Методики расчета конвективных сушилок 34
1.5. Постановка задач теоретических и экспериментальных исследований
Глава 2. Математическое моделирование процесса сушки влажных тел в камерной сушилке
2.1. Варианты сушки материала и основные допущения при математическом моделировании процесса 42
2.2. Массоперенос в теле сферической формы 44
2.3. Теплоперенос в теле сферической формы 55
2.4. Массоперенос в теле в форме параллелепипеда 63
2.5. Теплоперенос в теле в форме параллелепипеда 73
Глава 3. Исследование процесса сушки влажных материалов в условиях конвективного подвода теплоты 86
3.1. Статика процесса сушки 86
3.2. Кинетика процесса сушки влажных материалов 89
3.2.1. Описание экспериментальной установки и методик проведения эксперимента 89
3.2.2. Обсуждение полученных результатов 94
115
3.3. Проверка адекватности математических моделей 104
3.4. Сравнительная оценка работы конвективных сушилок периодического и непрерывного действия 121
Глава 4. Использование результатов работы в промышленном производстве
4.1. Инженерный метод расчета камерной сушилки 121
4.2. Разработка режимных параметров процесса сушки древесины в деревообрабатывающем производстве
Заключение 127
Список сокращений и условных обозначений 129
Список литературы
- Кинетика сушки влажного материала
- Массоперенос в теле сферической формы
- Описание экспериментальной установки и методик проведения эксперимента
- Разработка режимных параметров процесса сушки древесины в деревообрабатывающем производстве
Кинетика сушки влажного материала
Гистерезис типа I относится к порам цилиндрической формы; тип II - к щелевидным порам; тип III - к клиновидным порам с открытыми концами; тип IV - также к клиновидным порам с сужением в одном или в обоих концах; тип V - к порам типа «чернильницы», т.е. к глухим порам. Для некоторых материалов сорбционные и десорбционные ветви изотерм могут совпадать.
По виду изотерм адсорбции и десорбции можно сделать вывод о площади поверхности и пористости твердого тела, а также характере взаимодействия между твердым телом адсорбированными молекулами [4, 5].
Лыков А.В. [6] на основании анализа большого числа экспериментальных данных по испарению различных жидкостей из пористых сорбентов установил, что с помощью кривой адсорбции можно определить формы связи влаги с материалом. Участок в интервале (р= 0 - 0,1, когда изотерма адсорбции обращена выпуклостью к оси влажности тела p, соответствует мономолекулярной адсорбции. Участок для ср = 0,1 - 0,9 имеет характерную для полимолекулярной адсорбции выпуклость к оси относительной влажности воздуха р. На участке от ср = 0,9 до ср = 1 происходит конденсация влаги в капиллярах высушиваемого материала без выделения тепла.
Форму связи влаги с материалом можно классифицировать по схеме, предложенной Ребендером П.А. [7], в основу которой положена величина энергии, затрачиваемой на разрыв связи между влагой и материалом: 1) химическая связь, образующаяся в результате химической реакции или кристаллизации, 2) физико-химическая связь, возникающая, например, при адсорбции, 3) физико-механическая связь, образующаяся, например, при капиллярной конденсации.
Классификация высушиваемых материалов по размерам пор, позволяющая учитывать различие в механизмах переноса пара в макро- и микрокапиллярах, приведена Лыковым [6]. Все поры материала разделяются в зависимости от их размера на макрокапилляры с радиусом более 10 7 м и микрокапилляры с радиусом от 10"7 до 1,610"9 м. Данная классификация совпадает с классификацией, предложенной в теории адсорбции Дубининым М.М. [8], но отличается от не принятой терминологией. При этом в теории адсорбции выделяют также субмикрокапилляры с радиусом менее 1,6109 м.
Для обобщения результатов исследования процесса сушки большое практическое значение имеет классификация твердых влажных материалов по коллоидно-физическим свойствам, предложенная Лыковым А.В. [6]. Согласно этой классификации все материалы делятся на три группы: капиллярно-пористые, коллоидные, коллоидные капиллярно-пористые.
Постоянное накопление экспериментальных данных по равновесию в различных системах твердое тело - газ, несомненно, способствует теоретическим исследованиям по описанию изотерм сорбции-десорбциии. В ранних работах уравнения изотерм сорбции и десорбции были эмпирическими или полуэмпирическими, которые в той или иной степени учитывают физико-химические свойства твердого тела. Среди этих исследований отметим работу Минновича ЯМ. [9], посвященную сушке сырой фибры и керамической массы. Автором получено уравнение изотермы десорбции в следующем виде: lg(Qp=Aq + lg(B + CT), (1.1.1) где А, В, С- постоянные, зависящие от свойств высушиваемого материала. Уравнение (1.1.1) справедливо в интервале температур от 20 до 90 С и относительной влажности воздуха от 0,1 до 0,9. Посновым Б.А на основании анализа ряда экспериментальных данных по равновесию древесины с влажным воздухом получена следующая зависимость (0,1 1) [10]: \/сор = 1/мг +В 1щ, (1.1.2) где В - коэффициент, зависящий от температуры, мг - максимальная гигроскопическая влажность древесины, %. Простое эмпирическое уравнение для описания равновесного количества влаги в материале от относительной влажности воздуха получено Лыковым А.В. (0,1 0,9) [6]: сор = а/(Ь-(р), (1.1.3) где a, b - постоянные коэффициенты, зависящие от температуры и свойств материала. Томсоном У (Кельвином) установлено, что равновесное давление пара над вогнутым мениском жидкости должно быть меньше, чем давление насыщенного пара при той же температуре. Им получено уравнение, связывающее давление пара над искривленной поверхностью с радиусом кривизны поверхности жидкости в порах адсорбента [11, 12]. Основываясь на этих положениях, Каплан В.Я. вывел для древесины уравнение изотермы адсорбции влаги [13, 14] =(3,6 - 0,0150 , (1-1.4) которое было подвергнуто критике Шубиным Г.С. По мнению Шубина Г.С. уравнение (1.1.4) не достаточно точно описывает равновесные закономерности и в связи с этим им была предложена другая зависимость [13]:
Массоперенос в теле сферической формы
В исследованиях использовали два варианта процесса сушки влажного материала в камерной сушилке: сушка проточным горячим воздухом (рис. 2.1.1) и сушка проточным горячим воздухом с его подогревом внутри сушильной камеры (рис. 2.1.2).
Схема сушки проточным горячим воздухом с его подогревом внутри сушильной камеры: 1 – камерная сушилка, 2 – основной (внешний) калорифер, 3 – дополнительный (внутренний) калорифер Имеем камерную сушилку (рис. 2.1.1), корпус которой покрыт теплоизоляционным материалом. Внутренняя площадь поверхности сушильной камеры составляет Fап м2. В сушильную камеру помещено n влажных тел простой геометрической формы. Для опытов использовали шары диаметром 2R м и кубики с высотой ребра 2R м с начальным влагосодержание ucp.0 кг/кг и начальной температура tср.0 оС. Тело объемом VТ м3 имеет пористую изотропную структуру. В сушильной камере находится воздух объемом Vг м3 с начальным влагосодержанием хгМ кг/кг и начальной температурой t2.0 С. В сушилку подается горячий влажный воздух, содержащий Ог кг/с абсолютно сухого воздуха. Перед основным (наружным) калорифером воздух имеет влагосодержание хох и температуру tox. После нагрева воздуха в наружном калорифере, т.е. на входе в сушилку его температура повышается до tZMX С. Теплота, подводимая в сушилку с нагретым воздухом, расходуется на нагрев воздуха в сушильной камере, нагрев материла, испарение влаги из материала, а также теряется в окружающую среду и с отработанным воздухом. Интенсивное перемешивание воздуха в сушильной камере позволяет принять допущение о том, что температура ta(x) и влагосодержание хг(т) воздуха в любой точке сушильной камеры равны температуре t eblx(x) и влагосодержанию хг. вых(т) воздуха на выходе из камеры. Теплота от сушильного агента подводится к телу равномерно по всей его поверхности. В качестве объекта исследований были выбраны глина и древесина. Для исследования процесса сушки глины выбран низкотемпературный режим, что позволяет использовать для описания кинетики процесса уравнение нестационарной массопроводности с постоянным коэффициеном массопроводности к, а для описания нагрева материала - уравнение нестационарной теплопроводности с постоянным коэффициентом температуропроводности а. Скорость процесса массопереноса лимитируется как внешней, так и внутренней диффузией. Между поверхностью тела и воздухом внутри сушилки происходит теплообмен по закону Ньютона. Равновесие процесса сушки описывается линейным уравнением изотермы. Принимаем, что период прогрева материала является пренебрежимо малым по сравнению с общей продолжительностью сушки, которая характеризуется периодом постоянной скорости сушки (I период) и периодом падающей скорости сушки (II период). Данная последовательность процесса принята при моделировании сушки образцов глины [107, 108].
При моделировании процесса сушки образцов древесины предполагаем отсутствие первого периода сушки. Такое допущение по данным Шубина Г.С. [102] справедливо при низкотемпературной сушке толстых пиломатериалов, когда температура материала меньше температуры кипения жидкости. Процессы взаимосвязанного тепломассопереноса внутри влажного тела описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных, предложенных Лыковым А.В. [57]. Гороховскиим А.Г. установлено, что в установившемся низкотемпературном процессе сушки древесины тепло- и массоперенос становится практически несвязанным [111]. Для описания процессов переноса влаги и теплоты используем соответственно дифференциальные уравнения влагопроводности и теплопроводности с переменными теплофизическими характеристиками. Зависимость равновесной влажности древесины от относительной влажности воздуха является нелинейной.
Сушка влажных тел по второму варианту (рис. 2.1.2) отличалась от первого варианта (рис. 2.1.1) нагреванием воздуха от двух источников теплоты; во внешнем калорифере воздуху сообщается лишь часть теплоты, а другая часть передается с помощью дополнительного калорифера, установленного внутри сушильной камеры.
Описание экспериментальной установки и методик проведения эксперимента
Разработка режимных параметров процесса сушки древесины в деревообрабатывающем производстве
Камерная сушилка представляла собой металлический корпус 1, покрытый теплоизоляционным материалом. Внутри сушилки установлены вентилятор 2 для перемешивания воздуха, дополнительный (внутренний) электрокалорифер 3 для нагрева воздуха и решетка 4, на которую помещали образцы влажного материала. Для сушки использовали образцы из глины Мало–Ступинского месторождения Ивановской области сферической формы диаметром 0,02 и 0,04 м, а также образцы из ядровой части сосны кубической формы с ребром 0,025 м. Для измерения температуры внутри образца в отверстия, просверленные на глубину , и радиуса и половины толщины образца, помещали хромель-копелевые термопары (рис. 3.2.3). Термопара также устанавливалась на поверхности образца.
Определение локального влагосодержания внутри тела проводили путем вырезания на различной глубине этого тела образцов кубической формы с ребром 5 мм, которые затем взвешивались на аналитических весах во влажном и сухом состояниях с целью определения массы влаги в материале [102].
Исследование процесса сушки глины проводили в сушилке проточным горячим воздухом по схеме, изображенной на рис. 2.1.1. Во всех опытах объемный расход воздуха принимался постоянным и равным 2,710-3 м3/с. Его температура составляла 67, 79, 90 и 103 оС. В сушилку помещали 12 образцов глины диаметром 0,02 м или 4 образца диаметром 0,04 м с начальным влагосодержанием 0,3 кг/кг и начальной температурой 20 оС. Сушку древесины проводили по схеме с нагревом воздуха в основном (наружном) электронагревателе (рис. 2.1.1) при с расходе воздуха 1,3910-3 и 1,1110-3 м3/c. Его температура составляла 71, 85, 99, 113 и 119 оС. В сушилку помещали 30 образцов древесины с начальным влагосодержанием 0,35 кг/кг и начальной температурой 20 оС. Образцы древесины сушили до устойчивого влагосодержания, которая в зависимости от условий процесса изменялась от 0,05 до 0,03 кг/кг [122 – 125].
Работа камерных сушилок периодического действия характеризуется переменным режимом сушки. По мере протекания процесса расход теплоты на испарение влаги из материала снижается, температура теплоносителя в камере постепенно повышается, а его относительная влажность понижается. Режим сушки устанавливается путем изменения параметров сушильного агента на входе и на выходе из сушильной камеры, а также регулированием подачи теплоты от внутреннего калорифера [99]. Математическое описание, приведенное в разделах 2.4 и 2.5, позволяет прогнозировать закономерности процесса сушки влажного материала в таких условиях. Поэтому для исследований были выбраны такие режимы работы сушилки, когда в процессе сушки увеличивалась температура сушильного агента внутри сушильной камеры вследствие поступления теплоты от дополнительного (внутреннего) электронагревателя и уменьшался расход горячего воздуха, поступающего в сушилку [126].
При проведении опытов по сушке древесины в сушилку подавался горячий воздух с постоянным объемным расходом 1,3910-3 м3/c и температурой 71 оС. Затем через определенный промежуток времени температура воздуха внутри сушильной камеры повышалась с помощью дополнительного (внутреннего) электронагревателя. Опыты проводили при одно–, двух– и трехступенчатом повышении температуры воздуха. На первой ступени, наступавшей через 165 мин от начала процесса сушки, включали дополнительный электронагреватель, температура поверхности которого tд.к поддерживалась равной 173 оС, что позволяло повысить температуру воздуха tг с 60 до 70 оС. Время начала работы сушилки на второй ступени ставляло 330 мин, а на третей ступени – 495 мин. При этом на второй ступени tд.к = 275 оС и tг повышалась с 70 до 80 оС, а на третьей ступени tд.к = 390 оС и tг повышалась с 80 до 90 оС [126].
Исследование процесса сушки древесины проводили также в условиях, когда одновременно с включением дополнительного подогревателя, расположенного внутри сушилки, уменьшался объемный расход горячего воздуха, поступающего в сушилку. При проведении опытов в сушилку подавался горячий воздух с объемным расходом L =1,3910-3 м3/c и температурой tг.вх =71 оС. На первой ступени, наступавшей через 165 мин от начала процесса, L уменьшался c 1,3910-3 до 1,1110-3 м3/c, tд.к = 178 оС и tг повышалась с 60 до 70 оС. На второй ступени (через 330 мин) L уменьшался c 1,1110-3 до 0,8910-3 м3/c, tд.к = 255 оС и tг повышалась с 70 до 80 оС. На третьей ступени (через 330 мин) L уменьшался c 0,8910-3 до 0,7110-3 м3/c, tд.к = 320 оС и tг повышалась с 80 до 90 оС.