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

При комбинировании обоих методов повышение температуры из­ лучателя при одинаковой интенсивности звукового поля ускоряет

процесс: при t„3n == 180° С время сушки 35 мни, при tlv3JI = 360° С время сушки 14 мин.

туры, при атмосферном давлении происходит очень медленно, так как при этом нельзя получить достаточно высокую разность парциаль­

ных условиях зависит от диффузионного движения молекул через по­ граничный слой, благодаря чему интенсивность испарения мала. При низком вакууме длина пути свободного пробега молекул становится соизмеримой с величиной пор капиллярно-пористых тел. Если при атмосферном давлении путь свободного пробега молекул водяного пара равен 4,04 - Ю - 6 см, то при давлении 1,0 мм рт. ст. он равен 5,3-10" 3 см, а при давлении в 0,001 мм рт. ст. — 5,3 см. В последнем случае все движение пара в капиллярно-пористом теле становится эффузионным, и плотность потока пара можно определить из уравне-

ность сушки в разреженном пространстве. Уменьшение давления в окружающей среде увеличивает интенсивность испарения за счет повышения массообмена, который в первом приближении обратно пропорционален давлению. Кроме того, в разреженной среде резко повышается влагоемкость, что тоже способствует интенсификации процесса сушки. Важным обстоятельством является и то, что темпера­ тура материала в процессе сушки сохраняется на низком уровне.

При давлении выше 4,58 мм рт. ст. механизм переноса тепла и массы вещества внутри высушиваемого тела сохраняется таким, как и в условиях атмосферного давления, ниже указанного давления на­ ступает иной механизм переноса тепла и массы, зависящий от степени дальнейшего снижения давления и температуры среды. При таком глубоком вакууме происходит уже явление сублимации [110].

Ниже тройной (криоскопической) точки, которая для воды нахо­ дится при давлении 4,58 мм рт. ст., испарение может протекать непо­ средственно из твердой фазы — льда, минуя жидкую фазу, что носит название сублимации, или возгонки.

Во влажном состоянии капиллярно-пористые материалы при этих условиях имеют температуру ниже нуля, и вся свободная влага, за­ полняющая капилляры, замерзает; испарение ее происходит путем

170

сублимации. Зона испарения влаги постепенно углубляется внутрь материала и удаление влаги продолжается до испарения всей замо­ роженной части ее. Оставшаяся жидкая влага, более прочно связан­ ная с материалом путем адсорбции или хемосорбции, удаляется уже при температуре выше нуля обычным способом, хотя и при давлении ниже 4,58 мм рт. ст. Для сушки материалов сублимацией создается установка, состоящая из сушильной камеры — сублиматора, погло­ тителя образующегося пара, конденсатора и вакуум-насоса, обеспе­ чивающего полное удаление из системы отработанной парогазовой смеси.

При сушке сублимацией механизм переноса тепла и массы как внутри тела, как и вне его сильно зависит от характера течения паро­ воздушной смеси. В вакуум-технике различают три вида такого

течения: высокий вакуум, когда -j- ^> 1, средний вакуум, когда

-j- 1 и низкий вакуум, когда -^-<£ 1. Это отношение, представ­ ляющее собой зависимость между длиной пути свободного пробега молекул пара К и диаметром капилляров d, называется характери­ стическим числом течения газа. При высоком вакууме движение носит молекулярный характер, молекулы не соударяются между собой. В среднем вакууме происходит смешанное (молекулярновязкостное) движение, а в низком вакууме — чисто вязкостное дви­ жение, при котором группы молекул часто соударяются между собой. Для определения вида течения газа в разреженном пространстве при­ меняется полуэмпирическая формула Кнудсена, предложенная им для круглой трубы. При подстановке значений для водяного пара при t = 20° С формула принимает вид:

где d — диаметр трубы;

/— длина трубы;

Р— среднее давление в трубопроводе.

Пользуясь формулой (VI-31), можно определить границы вакуум­ ных режимов. Для молекулярного течения газа первое слагаемое уравнения (VI-31) равно нулю, а второй сомножитель второго слагае­ мого становится равным единице. Отсюда для водяного пара границей

171

костный характер течения во всех капиллярно-пористых материалах [110].

Процесс сублимационной сушки начинается с охлаждения и замо­ раживания во влажном материале воды. Обычно это делается путем постепенного понижения давления в сублиматоре до тех пор, пока температура не станет ниже нуля и не начнется процесс самозамора­ живания влаги. Самозамораживанпе влаги происходит при разности парциального давления пара у поверхности материала и в окружаю­ щей среде, причем за парциальное давление пара в окружающей среде

верхности материала; Рк— давление пара у поверхности кон­ денсатора.

Так как давление пара зависит от температуры, то скорость замо­ раживания является функцией двух факторов: глубины вакуума и температуры конденсации пара.

Температурные кривые промерзания влаги в материале имеют две критические точки: до первой точки температура снижается по прямолинейной зависимости, постепенно по слоям материала, ха­ рактеризуя углубление зоны переохлаждения воды. После первой критической точки температура материала несколько повышается из-за процесса сублимации, сопровождаемого выделением тепла. Вторая критическая точка означает начало процесса замораживания, который протекает при постоянной температуре [112]. Критические точки на кривых, показывающих температуру разных слоев мате­ риала, располагаются последовательно по мере углубления в толщу материала, показывая этим кинетику промерзания его.

Снижение температуры переохлаждения воды зависит от темпера­

При одной и той же температуре конденсации величина переохлажде­ ния увеличивается с глубиной промерзания благодаря более быстрому процессу кристаллизации. До первой критической точки температура материала распределяется по параболическому закону, с началом сублимации эта закономерность нарушается.

Средняя скорость охлаждения при определенной температуре конденсации пара различна для разных материалов, но при измене­ нии температуры конденсации она изменяется для всех капиллярнопористых материалов одинаково. Скорость же углубления зоны кри­ сталлизации не зависит от температуры конденсации пара и различна для разных материалов. Коэффициент теплообмена в процессе замо­ раживания воды выше, чем при сублимации, и с уменьшением темпе­ ратуры конденсации пара увеличивается (табл. VI-12). На величину коэффициента теплообмена вид материала не оказывает заметного влияния.

172

Процесс замораживания, продолжающийся 20—50 мин, является одновременно и процессом удаления влаги, так как в это время испа­ ряется 16—24% всей влаги [113]. Общее же количество удаляемой в замороженном состоянии влаги зависит от температуры материала: чем она ниже, тем больше удаляется влаги в процессе сублимации. При температуре материала —15, —20°С из пищевых продуктов путем сублимации удаляется 70—-90% влаги. Количество воды, уда­ ляемой в замороженном состоянии, определяется коэффициентом

gw — количество воды в жидком состоянии.

Этот показатель является важным технологическим параметром.

Первый член левой части уравнения равен плотности результа­ тивного лучистого потока, поглощаемого материалом, второй член — количеству тепла, подводимого конвекцией от нагретой паровоздуш­ ной смеси, и третий член — количеству тепла, переданного тепло­ проводностью от греющей контактной поверхности. Все это количе­ ство тепла расходуется на нагревание материала (первый член правой части уравнения) и на испарение влаги (второй член правой части уравнения). В разреженном пространстве передача тепла конвек­ цией незначительна, поэтому материал при вакуумной сушке нагре­ вается путем радиации или чаще всего контактным способом. Урав­ нение (Vf-32) остается справедливым как для сушки в атмосферных условиях, так и для сушки при разрежении до критического давле­ ния. В последнем случае, однако, излишнее количество тепла вызы­ вает плавление льда и перегревание материала.

173

Ниже критической точки давления механизм переноса тепла и массы вещества становится иным, чем до нее, произведение а' (Рп —

ниже криоскопическон точки температура испарения льда опреде­ ляется только давлением, поэтому перегревание материала не может вызвать плавления льда, и температура не будет повышаться, пока не испарится вся замороженная влага. Интенсивность испарения влаги при сублимации резко возрастает с уменьшением давления в конденсаторе, причем когда температура в конденсаторе сравни­ тельно высока, небольшое изменение ее сильно влияет на интенсив­ ность испарения, при низких температурах поверхности конденса­ тора изменение ее мало сказывается на интенсивности процесса.

Движущей силой массопереноса при сублимации является раз­ ность давления пара у поверхности материала и у конденсатора. Бурное фазовое превращение в вакууме резко увеличивает объем вещества. Если при атмосферном давлении 1 кг водяного пара зани­ мает 1,72 м3 , то при давлении 1 мм рт. ст. — около 1000 м3 , а при дав­ лении 0,1 мм рт. ст.— 10 000 м3 . При этом пар движется не путем молекулярной диффузии, а макроскопическим молярным потоком. Законы молекулярной теплопроводности и диффузии вещества здесь не применимы, теплообмен полностью определяется массообменом, гидродинамика которого зависит от характера протекания фазового превращения.

Важнейшим условием интенсивного протекания процесса сублима­ ции является полный отвод от поверхности высушиваемого материала образующихся паров воды, что возможно только при правильном устройстве конденсатора. Так как давление в нем составляет 0,001— 2,0 мм рт. ст., расчеты теплообмена между средой н стенками конден­ сатора не могут быть использованы такие, как для конденсаторов, работающих при давлениях, близких к атмосферному.

И. С. Макашовской [116] исследованы условия конденсации пара в вакууме. По ее данным макроскопическое движение пара к охлаж­ дающей поверхности конденсатора резко интенсифицирует теплооб­ мен среды с поверхностью конденсатора. При той скорости пара, кото­

Нуссельта Nu = 4—5. Полученные же автором данные показывают, что действительная величина критерия Нуссельта колеблется в пре­ делах 2500—3000. Отсюда видно, насколько процесс теплообмена связан с интенсивностью движения и конденсацией пара, насколько сильно массообмен влияет на теплообмен.

Определяя интенсивность конденсации пара при одном и том же температурном напоре, автор вывел критериальную зависимость ин­

174

давления пара при постоянном давлении воздуха, так и при увеличе­ нии давления воздуха при постоянном давлении пара коэффициент те­ плообмена растет.Это привело к выводу,что на величину коэффициента теплообмена влияет общее давление смеси. Эмпирическая зависимость такого влияния имеет вид: а = 138,5Ро 0 .д . Такая зависимость объяс­ няется тем, что в диапазонах'изменения парциальных давлений пара и воздуха, которые возникают при сублимации, произведение удель­ ной теплоемкости и плотности смеси Cvp является величиной постоян­ ной. Так как обе величины влияют при конвективном обмене на коэф­ фициент теплообмена, то а = / (Р\/р). Это привело к предложению очень простой зависимости для теплового расчета конденсатора q — = 1025Ро б щ . Оригинальный метод определения парциального давле­ ния пара и паровоздушной смеси предложен Н. И. Рогожииской [117]. Он сводится к испарению при определенной температуре определен­ ного количества воды в известном герметическом объеме. Образовав­ шееся давление рассчитывается по формуле Менделеева—Клапей­ рона.

испарению воды со свободной поверхности. Интенсивность испарения льда зависит от способа подвода тепла: при нагревании контактным способом она равна 1,0—1,15 кг/м2 -ч, при комбинированном, радиа- ционно-кондуктивном— 1,4 кг/ма -ч. Для характеристики специфи­ ческой особенности теплообмена в процессе сублимационной сушки, вызванной влиянием массообмена, создаваемого большим избыточным давлением пара, автором предложено новое понятие — скорость ис-

Это позволило ей образовать новый критерий, названный Е. А. Ер­ маковой критерием Рихмана. Критерий Рихмана аналогичен крите­ рию Рейнольдса, но вместо скорости движения жидкости в него вво-

дится скорость испарения Ri = — L = — L .

Общий вид критериального уравнения интенсивности испарения Nu = A Ri"Gu'", а определенные значения постоянной А и степени пг превращают его в

новый член 6 == -дуг1-, и тогда уравнение интенсивности теплообмена при сублимационной сушке принимает вид:

Nu = l ^ R i - G u - ^ e - w .

Для характеристики интенсивности массообмена введен также новый критерий Кнорре

1 X 1 1 мП - Робщ '

175 •

=l,25Ri-Kn-°-2 .

Следует заметить, что другие авторы для сублимационной сушки различных материалов, главным образом продукции пищевой про­ мышленности, дают иные выражения интенсивности тепло- и массооб­ мена [118—121 ]. Например, А. А. Грязнов считает, что для расчета сушильной установки необходимо определить интенсивность испаре­ ния влаги в сушильном шкафу и конденсацию в. конденсаторе.

тенсивность испарения, г/см2 -с, определяется, как интенсивность испарения со свободной поверхности по формуле кинетической теории газов

ющую зависимость интенсивности испарения, кг/м2 -ч, при вынужден­

176

кууме определяется также из выражения кинетической теории газов:

где Р2— упругость паров у стенки конденсатора, мм рт. ст.; Рг— упругость паров у поверхности материала, мм рт. ст.

Необходимая для заданных условий поверхность конденсатора рассчитывается обычным путем.

Раньше сушка сублимацией при атмосферном давлении широко применялась в кожевенном производстве. Таким методом высушивали главным образом мостовье, полувал, а также частично обезвожи­ вали мороженое сырье. Качество получаемой продукции зависело от правильности замораживания кожи. При быстром замораживании в порах кожи образовывались крупные кристаллы льда, которые раз­ рыхляли ткань и делали кожу слабой и тряпичной. При медленном замораживании кристаллы получались мелкие, более равномерно распределялись в толще кожи, что не вызывало порчи ее.

В настоящее время сушка сублимацией применяется редко для вымораживания сырья. Сушка сублимацией в вакууме широко приме­ няется там, где недопустима высокая температура, а главное — когда надо сохранить природные свойства высушиваемого материала (раз­ меры, пористость, вкус, растворимость и т. д.). Больше всего она используется в пищевой, мясо-молочной, фармацевтической и других отраслях промышленности.

С у ш к а измельченных материалов

К интенсивным методам относится сушка материалов в измель­ ченном состоянии. Скорость сушки при этом обусловливается разме­ ром частиц материала и гидродинамическими условиями. Материалы, можно высушивать продуванием горячего воздуха через неподвиж­ ный слой их; через слой материала, движущийся под действием вибра­ ции или продувания воздуха; через слой материала, находящийся во взвешенном или в распыленном состоянии.

При продувании воздуха через неподвижный слой материала перепад давления воздуха АР прямо пропорционален скорости по­ тока V и определяется по закону Дарси. С увеличением-скорости движения воздуха сопротивление слоя материала этому движению возрастает по степенному закону, показатель степени с увеличением критерия Рейнольдса меняется от 1,0 до 2,0.

В момент, когда сопротивление слоя движению воздуха равно весу материала, приходящемуся на единицу поверхности сетки, т. е. когда давление газа уравновешивает силу тяжести материала, начи­ нается увеличение высоты и объема слоя. В случае сцепления частиц

177

между собой расширение слоя начинается при большем давлении газа. При дальнейшем увеличении скорости движения газа высота слоя увеличивается еще больше, сопротивление же его начинает за­ висеть от свойств газа,- размера и характера частиц, высоты самого слоя, и процесс может происходить по разным законам.

Нормальный процесс увеличения объема материала протекает постепенно и равномерно по площади слоя, сопротивление которого остается практически постоянным. При достижении материалом объ­ ема определенной величины, зависящей от формы и размера частиц, последние приходят в движение. В этот момент по своим свойствам слой материала напоминает спокойную вязкую жидкость, наступает период «жидкостного состояния». Слой материала может перемеши­ ваться и перемещаться так же, как жидкость. При дальнейшем уве­ личении скорости движения воздуха расширение слоя продолжается, движение частиц становится более интенсивным, начинает происхо­ дить энергичное перемешивание их, частицы циркулируют по всему слою, поднимаясь вверх в центре потока и опускаясь вниз по стенкам, ограничивающим объем материала. Состояние слоя напоминает кипящую жидкость, поэтому оно называется «кипящим», или псевдоожнженным.

При наличии неоднородных по размерам частиц материала жидко­ стный слой расслаивается: более мелкие частицы располагаются сверху, более крупные —• снизу.

Основной задачей при сушке материалов в псевдоожиженном слое является обеспечение равномерной плотности его. Только в таком случае можно получить наибольшие значения коэффициентов тепло- и массообмена и равномерность сушки. Скорость движения газа зави­ сит от величины свободного пространства (объема) в слое. Свободный объем зависит от формы и размера частиц: чем меньше размер частиц, тем больше минимальный свободный объем; неправильная форма частиц, шероховатость их увеличивают свободный объем. Свободный объем для разных материалов колеблется от 0,4 до 0,7.

Момент перехода из неподвижного слоя в псевдоожиженный опре­ деляется критерием Федорова— Fe; Re = Л Fe",

где Re — определяется по скорости воздуха, вызывающей кипение.

178

По мнению Н. А. Шаховой [123 ], критерий Федорова не может от­ разить то изменение, которое происходит в состоянии слоя при пере­ ходе из неподвижного в псевдоожиженное состояние. Для характе­

состояния к псевдоожиженному. Этот критерий характеризует подо­ бие между псевдоожиженными системами по интенсивности перемеши­

р — коэффициент динамической вязкости.

Характер процесса сушки определяется в основном внешним теп­ ло- и массообменом.

Установлением закономерностей этого обмена занималось боль­ шое количество исследователей, полученные ими данные сильно отли­

Для угля и кусочков картона И. М. Федоровым выведены следую­ щие формулы:

3 / сХ?