книги из ГПНТБ / Кавказов Ю.Л. Тепло- и массообмен в технологии кожи и обуви

Эквивалентный коэффициент теплопроводности определяют из графика (рис. VI-2).

Кривые рис. VI-2 показывают зависимость эквивалентного коэф­ фициента теплопроводности от температуры греющей поверхности для отливок целлюлозы разной толщины (/г).

Из рис. VI-2 видно, что толщина высушиваемого материала мало влияет на эту зависимость, следовательно для приближенных рас­

чивается в 3 раза. Толщина материала влияет также на критерий &': с увеличением ее е' уменьшается в результате сопротивления скелета вещества, при этом резко возрастает градиент температуры, что вле­ чет за собой перегревание материала.

Начальное и конечное влагосодержание материала может быть определено экспериментально, а относительный коэффициент сушки /С определяют из экспериментальной прямой К = %N, как тангенс угла наклона (см. рис. V-9).

141

Исходя из основного уравнения тепло- и массообмена в процессе контактной сушки, разные авторы предлагают свои зависимости для определения ее длительности.

А. М. Бабак [80] для определения длительности первого периода

где Х1иХ2 — относительные коэффициенты сушки в первом и во

втором периодах; Wn, WKpl, WKp2 и ^ „ — влаж­ ность материала в разные периоды сушкн.

142

2. Исходя из обобщения кривых сушки в этих же условиях:

где W,i — начальное влагосодержание материала, при котором строи­ лась кривая сушки.

Для повышения интенсивности контактной сушки В. В. Крас­ ников рекомендует:

увеличить до максимума-температуру греющей поверхности; применять горячее обдувание открытой поверхности материала; использовать радиационное нагревание открытой поверхности

материала; применять сопловое обдувание этой поверхности при оптимальном

соотношении - у = 0,020, где б — ширина щели и 5 — шаг между щелями.

Р а д и а ц и о н н ая сушка (инфракрасными лучами)

Если при контактной сушке мощность теплового потока увели­ чивается при подаче тепла со стороны, противоположной поверх­ ности испарения, то при радиационной сушке тепло подается непо­ средственно на поверхность испарения, поэтому механизм тепло- н массообмена в основном зависит от характера поглощения этого тепла поверхностью материала.

Согласно электромагнитной теории света, лучи являются элек­ тромагнитными колебаниями, а длина волн их при монохроматиче­ ском излучении — расстоянием, на которое' распространяются элек­ тромагнитные волны за один период колебания. Вместе с тем излу­ чение является потоком световых фотонов, энергия которых увели­ чивается с уменьшением длины волн. Источниками излучения служат атомы, когда их внешние электроны переходят из состояния с боль­ шей энергией в состояние с меньшей 'энергией. Это вызывает излу­ чение видимых и ультрафиолетовых лучей. Если источниками излу­ чения являются молекулы, при переходе их атомов или группы атомов из колебательных движений с большей энергией в движение с мень­ шей энергией, или если молекулы меняют характер вращательного движения возникает инфракрасное излучение. Благодаря различ­ ному влиянию атомов и молекул на возникающие видимые и неви­ димые лучи тела, являющиеся в действительности близкими к черным, кажутся белыми. К телам, близким к черным, относятся все диэлек­ трики, причем состояние поверхности (шероховатость, наличие пор, царапин, пятен, окисления и другие дефекты) увеличивает степень черноты тела.

143

Лучи, длина волн которых примерно одинакова, образуют моно­ хроматический поток излучения: лучи с различной длиной волны создают интегральный поток излучения, в область инфракрасного излучения входят лучи с длиной волны от 0,76 до 40 мк. Важной особенностью этих лучей является способность нх проникать в глубь различных материалов на неодинаковую величину. По данным

П.Д. Лебедева, инфракрасные лучи способны проходить через четыре слоя бязи, через восемь слоев папиросной бумаги, через пять слоев фотобумаги, на 6 мм в сырой картофель и на 7 мм в свежий хлеб.

П.Д. Лебедевым предложен метод [72 ] определения глубины про­ никания инфракрасных лучей внутрь материала с помощью радио­ метра, измеряющего энергию излучения самого источника, а затем проницаемость потока лучей через кальку и, наконец, после про-

'хождения лучей через кальку п нанесенный на нее слой исследуемого материала.

инфракрасных лучей в глубь материала зависит от толщины прой­ денного слоя, длины волны и влагосодержанпя. По данным Е. Г. Сегала [83] зависимость проникания инфракрасных лучей в томатную массу от этих факторов показана в табл. VI-, 2.

144

Способность капиллярно-пористых тел к диффузному отражению зависит от характера дисперсности их [84], с увеличением размера частиц коэффициент диффузного отражения уменьшается. В круп­ ном кварцевом песке и силикагелях проникшие внутрь тела лучи, диффузию рассеиваясь, проходят через крупные частицы, значи­ тельно ослабляясь, поэтому коэффициент диффузного отражения уменьшается. На коэффициент диффузного отражения в значительной степени влияет также влажность тела. При максимальном увлажнении влияние размера частиц менее заметно, так как, начиная с длины волны 1,3 мк, коэффициент диффузного отражения капиллярнопористых тел становится соизмеримым со значением его для воды. Коэффициент пропускания капиллярно-пористых тел также зависит от размера частиц— с ростом их он увеличивается. При влажности ср = 0,7 силикагеля зерна до 0,25 мм не пропускают волны длиной 1—5 мк через толщину 0,25 мм; зерна размером 0,25—0,50 мм про­ пускают волны длиной 1,0—2,5 мк через толщину 0,508 мм, а зерна размером 0,5—1,0 мм только через толщину 1,013 мм в количестве 4— 5%. Так как капиллярно-пористые тела имеют большое диффузное рассеяние, ограждения сушильных установок должны обладать большим эффектом отражения.

Разные материалы имеют индивидуальные спектральные опти­ ческие свойства, поэтому волны разной длины действуют на их отра­ жательную и поглотительную способность неодинаково. Кроме того, на эти свойства влияет также и температура излучателя. В табл. VI-3 показано влияние температуры излучателя на коэффициенты отражения и поглощения волн некоторых полимеров [85].

Как видно из данных табл. VI-3, поглотительная способность диэлектриков падает с повышением температуры, так как при этом снижается степень черноты. С увеличением толщины материалов степень черноты возрастает, так при Т = 293К изменение толщины приведенных в табл. VI-3 материалов с 20 до 100 мм повышает сте­ пень черноты их более чем в два раза. У таких материалов, как кап­ рон, при Т — 313К наибольший коэффициент отражения наблю­ дается у волн длиной 2,5—6,0 мк, а при Т = 353К — у волн длиной 1,0—3,0 мк. Наибольший коэффициент отражения при Т = 725—

145

«серого» источника максимум излучения приходится на волны длиной 1,6 мк. При этом материалы имеют невысокое отражение и значи­ тельное пропускание лучей.

Следует заметить, что оптические свойства, влажных материалов зависят как от содержащейся в них влаги, так и от сухого вещества. При влажности геля 30% волны длиной 0,4—2,0 мк отражаются на

териалы по оптическим свойствам. Однородные оптические свойства спектров отражения, поглощения и пропускания имеют группы:

а) материалы растительного происхождения: овощи, фрукты,

б) материалы животного происхождения: мясо, рыба, кожа, аль­ бумин, молочные продукты;

в) неорганические материалы: растворимые минералы, известь,

MgC03 , А 1 2 0 3 и др.

В зависимости от отношения к длине волн С. Г. Ильясов делит влажные материалы на три группы:

сильное рассеяние и слабое поглощение волн длиной 0,4—1,1 мк; среднее рассеяние и среднее поглощение волн длиной 1,4—2,6 мк; слабое рассеяние и сильное поглощение волн длиной 3,0—15 мк. По его наблюдению полосы спектра с длиной волн 0,98; 1,19; 1,49; 2,11; 2,32; 2,50; 2,94; 5,82; 6,14 мк характеризуют колебания групп ОН в водородных связях ряда органических веществ, а полосы

спектра с длиной волн 1,92; 4,74 — колебания молекул воды. Разные источники излучения дают различные спектры волн.

Так, лампы с нихромовой спиралью имеют максимум излучения при длине волн от 1,9 до 2,4 мк, трубчатые излучатели — при длине волн от 4,0 до 5,0 мк и керамические— при длине волн от 2,0 до 6,0 мк. Энергия источников, максимум излучения которых находится в пределах 4,0—5,0 мк, в значительной степени поглощается возду­ хом, даже не содержащим много (не более 70%) паров воды, сильно поглощающих энергию излучения [86].

Другие авторы [84] дают значения максимума излучения таких источников, отмечая при этом, что степень использования, энергии повышается с 75 до 90% также в зависимости от вида источника: темные излучатели (трубчатые) являются более экономичными. Опыт

146

где R — расстояние излучателя от поверхности тела, L — расстоя­ ние между излучателями.

Проникание инфракрасных лучей внутрь тела вызывает аномаль­ ное распределение температуры. В начале процесса' нагревания, когда температура среды tc выше температуры поверхности тела tn, распределение ее имеет тот же характер, что и при сушке нагретым газом. Затем, когда tc < tn, максимальная температура оказывается внутри тела, а температура наружной поверхности, охлаждаемой воздухом, начинает снижаться. Глубина нахождения максимума температуры не совпадает с глубиной проникания инфракрасных лучей, так как тепловое скольжение и эффузионный перенос, на­ правленные против потока тепла, сдвигают зону максимального нагревания. Лишь в тонких материала'х обе экстремальные зоны сближаются и распределение температуры в теле становится таким, как при действии токов высокой частоты.

В период постоянной скорости сушки температура тела почти не меняется, за исключением поверхности, на которой она несколько увеличивается с течением времени. Начиная с критического влаго­ содержания во всех точках тела температура резко возрастает, причем в поверхностном слое она более высокая, чем в остальных частях, в результате образования сухих участков, через которые проходит дополнительное количество тепла. Испарение жидкости вблизи поверхности материала создает градиент температуры, ко­

вается быстрее, чем поле влагосодержания. Это явление усиливается испарением влаги в поверхностных слоях, что также снижает их влагосодержание. С ростом температуры тела термоградиентный коэф­ фициент уменьшается, а накопление влаги в центре его повышает градиент влагосодержания и меняет направление потока влаги; движение преимущественно в виде жидкости ее становится таким же,

(песок), так как коэффициент потенциалопроводности глины при­ мерно в 100 раз меньше, чем песка.

При параболическом распределении влагосодержания и темпе­

147

н зависит от критериев Кпрпичева и Поснова, а также от перепада температуры At. Увеличение интенсивности сушки при радиацион­ ном излучении увеличивает н критерий Кпрпичева

а вместе с тем и перепад влагосодержания. Быстрому обезвоживанию поверхностных слоев каппллярио-пористых тел способствует теп­ ловое скольжение, вызывающее циркуляцию влажного газа в мак­ ропорах: скорость теплового скольжения прямо пропорциональна температуре, поэтому при высоких значениях ее величина теплового скольжения становится соизмеримой с величиной диффузии пара.

При сушке коллоидных тел перепад влагосодержания внутри них больше, чем у пористых тел; более быстрому высыханию поверх­ ностных слоев здесь содействует эффузпонный перенос пара, на­ правленный против теплового потока, в то время как движение влаги из внутренних слоев тела замедляется.

Основными факторами, влияющими на интенсивность сушки, яв­ ляются температура излучателя п расстояние его от поверхности высушиваемого материала. Интенсивность сушки фотопленок в за­ висимости от расположения их относительно излучателя показана в табл. VI-4. При этом на интенсивность сушки сильно влияет обду­ вание материала горячим воздухом. При повышении температуры

Направление теплого воздуха внутрь материала вызывает пре­ обладание неизотермического движения влаги над диффузионным, что уменьшает интенсивность сушки. Большой градиент температуры сильно нагревает высушиваемое тело, что может вызвать перегрева­ ние его и снижение качества: коробление, растрескивание.

Существенное значение для качества продукции имеет также глу­ бина проникания инфракрасных лучей. Когда должна высушиваться только поверхность материала, например, лаковые покрытия, углуб­ ление зоны испарения, вызываемое большим градиентом температуры, создает поток пара, направленный к поверхности материала, который может разрушить покрытие. Все это заставляет комбинировать сушку инфракрасными лучами с другими способами сушки.

Ценным свойством сушки инфракрасными лучами является ее малая инертность. Материал нагревается сразу после включения

148

нагревателя, что особенно важно при необходимости прерывистого облучения.

Теплообмен капиллярно-пористого и коллоидного тел с окру­ жающей средой при сушке инфракрасными лучами наиболее точно определяется с помощью критериальных зависимостей [17].

В простейшем случае при теплообмене сухого тела граничное условие имеет вид:

Приведенное выше уравнение можно представить в следующем виде:

щийся температурным фактором 8, который однозначно определяется скоростью потока V.

с внешней средой сопровождается массообменом. В этом случае чистая теплоотдача дополняется потоком пара, образующимся от испарения влаги с интенсивностью т, кг/м2 -ч. Скорость молярного

149