Описание лабораторной установки

Требования к выполнению лабораторных работ

 

Прежде чем приступить к пуску учебной лабораторной установки, необходимо изучить содержание работы. Для этого студентам следует ознакомиться с основными теоретическими положениями, задачей, поставленной перед ними в данной работе, а также со схемой установки и оборудованием. Ответив на вопросы (включая вопросы по технике безопасности) и получив разрешение преподавателя, студенты включают установку и приступают к необходимым замерам и записям показаний контрольно-измерительных приборов в соответствии с полученным заданием.

Без разрешения преподавателя студентам категорически запрещается включать установки.

Отчет по лабораторной работе должен включать формулировку ее цели, схему установки и основные результаты работы в виде таблиц и графиков. В отчете следует привести расчетные формулы и пример расчета на одном экспериментальном режиме.

Все расчеты необходимо выполнять в Международной системе единиц измерения (СИ). Экспериментальные данные следует вписывать в таблицу в единицах, указанных на шкале прибора, а затем переводить в единицы СИ. Подготовка к защите лабораторных работ включает в себя изучение лекционного материала и учебников по данным темам.

 

Лабораторная работа № 3

 

Исследование процесса сушки

строительных материалов

Цель работы: исследование изменения влагосодержания материала и скорости сушки во времени, определение значения критической влажности материала.

Основные понятия

Сушка материала – весьма распространенный технологический процесс. Нет ни одной отрасли промышленности, где бы этот процесс не имел места. Это - энергоемкий процесс. В целомв нашей стране на сушку расходуется около 12 % всей энергии добываемого топлива. Поэтому правильно выбранный оптимальный режим сушки должен соответствовать минимальным затратам тепла и энергии, максимальной скорости удаления влаги при наилучших технологических свойствах обрабатываемых материалов.

Сушка представляет собой процесс удаления влаги из твердых и пастообразных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Поэтому сушка может происходить только при условии подвода теплоты, необходимой для испарения влаги и при наличии разности парциальных давлений паров воды над поверхностью изделия Р _изд, и в окружающей среде Р _с, причем Р _изд, должно быть больше Р _с. Процесс сушки прекращается, когда Р _изд = Р _с, т.е. наступает равновесие в процессе обмена влагой между изделием и средой.

Сушка проводится под атмосферным давлением и под вакуумом, при этом высушиваемый материал может находиться в состоянии покоя, перемешиваться в "кипящем слое" и так далее.

По способу подвода теплоты сушка подразделяется на конвективную, контактную, радиационную, диэлектрическую, сублимационную.

Процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообмена). Возникающие при сушке градиенты температур и влагосодержаний вызывают механические напряжения в изделиях. Интенсивность удаления влаги из материала не может быть произвольно большой и не должна быть слишком малой, быстрое испарение влаги приводит к превышению допустимых напряжений в материале изделия и к разрушению его структуры, к массовому браку. Необоснованно длительный процесс сушки вызывает снижение производительности установки и увеличение энергозатрат.

Протекание процесса сушки зависит от свойств высушиваемого материала, характера связи с ним влаги и параметров окружающей среды.

Связь влаги с материалом может быть физико-механической, физико-химической и химической. Механически связанная влага макро- и микрокапилляров наименее прочно связана с материалом и наиболее легко

удаляется из него. Более прочно связана с материалом влага, которая поглощается поверхностью мелких капилляров (адсорбционная влага) или проникает вследствие диффузии влаги внутрь клеток материала (структурная и осмотически связанная влага). Влага, химически связанная с материалом (гидратная или кристаллогидратная), в процессе суши обычно не удаляется.

Как высушиваемый материал, так и сушильный агент характеризуются следующими параметрами: абсолютной и относительной влажностью и влагосодержанием.

Абсолютной влажностью материала называется отношение массы влаги материала к массе сухого вещества, выраженное в %:

                                    (3.1)

где – количество влаги, кг; – масса материала в данный момент времени, кг; – масса сухого материала, кг.

Относительной влажностью материала называется отношение массы влаги материала к массе влажного материала, выраженное в %:

                                  (3.2)

Помимо понятия влажности используют понятие влагосодержания материала, представляющего собой отношение массы влаги к массе сухого материала в относительных единицах; кг влаги/кг сухого материала:

                                          (3.3)

Интенсивность удаления влаги из материала характеризуется скоростью сушки. Под скоростью сушки понимают изменение влагосодержания в единицу времени:

                                                           (3.4)

Теплоносителем, а при конвективной сушке и влагоносителем, является влажный воздух или дымовые газы.

Для анализа процесса сушки и расчета сушилок необходимо знать функциональную зависимость влагосодержания и интенсивности испарения влаги (скорости сушки) от времени.

Сушка материала имеет по времени характерные периоды, которые представлены на рис. 3.1

Материал с начальным влагосодержанием  и температурой  вносится в газовую среду с постоянной температурой . В период предварительного прогрева  температура его повышается до . Влажность к концу этого периода снижается незначительно. Скорость сушки возрастает до некоторой величины N.

При контакте влажного материала с относительно сухим нагретым воздухом идет испарение влаги с поверхности материала и диффузия образующегося пара через пограничный слой газа в окружающую среду. В материале возникает градиент влагосодержаний и влага начинает перемещаться из внутренних слоев к поверхности.

Пока влагосодержание материала велико, влага, диффундирующая из глубинных слоев к наружным, будет полностью смачивать поверхность материала. В этих условиях количество влаги, испаряющейся с поверхности в единицу времени, определяется скоростью, с которой влага диффундирует через пограничный слой воздуха, насыщенного влагой.

 

 

Рис. 3.1. Изменение скорости удаления влаги, влагосодержания и

температуры материала в процессе сушки во времени

 

При постоянстве внешних условий (температуры воздуха, его относительной влажности, скорости и направления движения) скорость сушки будет постоянной. Поэтому этот период называется периодом постоянной скорости сушки, или первым основным периодом (участок АВ).

Поскольку в период постоянной скорости сушки поверхность материала покрыта пленкой влаги, которая испаряется при температуре мокрого термометра, то температура высушиваемого материала в этот период будет постоянной и приблизительно равной температуре мокрого термометра

Начиная с некоторого момента влаги, подводимой к поверхностным слоям, будет недостаточно для полного смачивания поверхности, сначала на ней появятся сухие участки («островки»), а затем вся поверхность материала окажется сухой, и зона испарения углубится внутрь материала. С этого момента скорость сушки начнет уменьшаться. Влагосодержание материала, при котором начинается период падающей скорости (участок ВС), называется критическим .

Непосредственно за моментом достижения критического влагосодержания наступает период падающей скорости сушки (участок ВС), когда сокращение смоченной поверхности за счет появления "островков" приводит к уменьшению количества влаги, удаляемой со всей геометрической поверхности, т.е. к падению общей скорости сушки, хотя скорость испарения влаги со смоченной части поверхности не изменяется

При дальнейшем уменьшении влагосодержания вся зона испарения перемещается вглубь материала и скорость сушки будет зависеть только от скорости диффузии влаги к поверхности, т.е. от скорости внутренней диффузии влаги). Скорость внутренней диффузии зависит от структуры материала, его температуры, а также от физико-химических свойств жидкости. Для различных материалов вид кривой на этом участке может быть различный.

Сушку обычно заканчивают по достижении некоторого конечного влагосодержания, определяемого требованиями технологии. В пределе же конвективная сушка может продолжаться до тех пор, пока материал не достигнет равновесного влагосодержания .

В период падающей скорости сушки (участок ВС) температура материала растет, и при достижении материалом  становится равной температуре сушильного агента, а скорость сушки становится равной нулю.

На рис. 3.2 изображено изменение состояния материла в процессе сушки.

 

Рис. 3.2. Изотерма сорбции процесса сушки

 

При изменении влажности от  до  материал содержит свободную влагу и находится во влажном состоянии. При изменении влажности от до  материал содержит связанную влагу и находится в гигроскопическом состоянии.

Точка В называется гигроскопической, соответствующая ей влажность – гигроскопической влажностью .Свободная влага будет удаляться из материала при любой относительной влажности окружающей среды, меньшей 100 %.

Удаление связанной влаги возможно лишь при той относительной влажности окружающей среды, которой соответствует влажность материала, большая равновесной.

На рис. 3.2 вся область, где материал может сушиться, заштрихована. При гигроскопическом состоянии материала, отвечающем области над кривой равновесной влажности, возможно только увлажнение материала, но не его сушка.

Описание лабораторной установки

 

Установка представляет собой электрический сушильный шкаф с вмонтированной чашей весов и термометром.