Процессы влагообмена при сушке

Процесс термической сушки – это сложный теплофизический и физико-химический процесс, в котором происходит тепло- и массообмен между поверхностью сушимого материала и окружающей газовой средой. Сушку влажных материалов можно представить в виде двух основных процессов: переноса тепла и влаги внутри материала к поверхности испарения и переноса массы вещества (пара) с поверхности материала в окружающую среду. Данный процесс протекает вследствие разности давлений водяных паров у поверхности сушимого материала и в окружающей среде, а также разности температур у поверхности и внутри материала.

Процесс сушки влажного материала протекает следующим образом. Под действием подводимого тепла у поверхности материала образуется пленка водяного пара. Если давление этого пара (р_м) больше, чем давление водяных паров в окружающей среде (р_в.п), то будет происходить диффузия пара в среду (воздух) и влага будет удаляться с поверхности материала. При этом влажность материала на поверхности уменьшается и начинается движение влаги из глубинных слоев к поверхности.

При испарении влаги с поверхности влажность внутри материала больше, чем на его поверхности, и этот перепад влажности, отнесенный к единице длины по нормали к поверхности, называется градиентом влажности Dw. Этот градиент определяет скорость перемещения влаги к поверхности материала. При наличии градиента влажности в материале начинается перемещение влаги, которое носит название влагопроводности.

Процесс переноса влаги внутри материала определяется его пористостью, формой связи влаги с твердым веществом и теплофизическими характеристиками. Внутри влажного материала вода перемещается в виде жидкости (под действием капиллярных и осмотических сил) и пара (под влиянием диффузных сил).

Плотность потока влаги i_w, кг/м²·ч – это масса влаги, переместившейся внутри материала в единицу времени через единицу поверхности, определяется из выражения

, (5.1)

где k_В – коэффициент влагопроводности, м²/ч;

d_С – плотность сухого материала, кг/м³;

Dw – градиент влажности, м^-1. Так как влажность внутренних слоев материала больше, чем на поверхности, градиент влажности взят со знаком минус.

Вследствие нагрева материала перемещение влаги при сушке происходит также за счет градиента температуры, когда влага перемещается из более нагретых слоев в менее нагретые. Плотность потока влаги i_t, зависящая от градиента температуры, определяется из выражения

, (5.2)

где i_t – плотность потока влаги под действием перепада температур, кг/м²·ч;

k_t – коэффициент термовлагопроводности, 1/°C;

Dt – градиент температур, °C/м.

Общий поток влаги с учетом влаго- и термовлагопроводности будет

. (5.3)

При сушке влажных материалов температурный градиент имеет сравнительно малое значение и потоком влаги, обусловленным термовлагопроводностью, можно пренебречь. В этом случае перенос влаги в основном определяется только влагопроводностью.

В процессе сушки удаляется только влага, связанная с материалом механически и физико-химически. В технике сушки различают содержащуюся в сушимом материале влагу свободную, гигроскопическую, избыточную и равновесную.

Свободная влага – представляет собой разность между общим содержанием влаги в материале и максимальным содержанием в нем гигроскопической влаги.

Гигроскопическая влага (w_гигр) – это влага поглощенная, адсорбированная поверхностью материала из воздуха. Содержание гигроскопической влаги зависит от гигроскопичности материала и влагосодержания окружающей среды (воздуха). Максимальное количество гигроскопической влаги содержится в материале при относительной влажности среды j=100%.

Избыточная влага – представляет собой сумму свободной и частично гигроскопической влаги, которая может быть удалена из материала испарением при данных параметрах процесса сушки и данных параметрах сушильного агента.

Равновесная влага (w_равн) – это та часть гигроскопической влаги, которая не удаляется из материала при данных условиях сушки. Она представляет собой разность между общей и избыточной влагой.

В зависимости от параметров агента сушки – газовой или воздушной среды и влажности сушимого материала (w) – в сушимом материале могут происходить следующие процессы влагообмена: 1) сушка; 2) десорбция; 3) сорбция.

Сушка – происходит испарение из материала свободной влаги при условиях: влажность материала больше максимальной гигроскопической влажности (w > w_гигр); парциальное давление водяного пара в сушильном агенте меньше давления водяного пара у поверхности материала р_в.п < р_м.

Десорбция – происходит испарение из материала части гигроскопической влаги, входящей в избыточную влагу, при условиях: влажность материала меньше максимальной гигроскопической влажности, но еще больше равновесной (w_равн < w < w_гигр); парциальное давление водяного пара в сушильном агенте меньше давления водяного пара у поверхности материала р_в.п < р_м.

Сорбция – это поглощение влаги материалом из окружающей среды, что происходит только до достижения материалом максимальной гигроскопичности, при условиях: влажность материала меньше равновесной влажности (w < w_равн); давление водяного пара в окружающей среде больше давления водяного пара у поверхности материала (р_в.п > р_м).

Равновесное влагосодержание материала наступает при условии, что давление водяного пара у поверхности материала становится равным давлению водяного пара в окружающей среде (агенте сушки) р_в.п = р_м, то есть когда процесс влагообмена между материалом и окружающей средой прекращается. Величина равновесного влагосодержания зависит от рода материала, температуры и относительной влажности окружающего материал сушильного агента. При постоянной температуре агента сушки равновесное влагосодержание материала зависит только от влажности агента сушки.

Зависимость равновесного влагосодержания материала от относительной влажности воздуха при постоянной его температуре показана на рис. 5.2.

Рис. 5.2 Зависимость равновесного влагосодержания материала от относительной влажности воздуха при постоянной его температуре

Кривая равновесной влажности называется изотермой десорбции или сорбции в зависимости от того, каким путем получено равновесное состояние влагообмена. Изотермы десорбции показывают, до какого влагосодержания можно высушить материал при заданной температуре и влажности агента сушки.