7.4.2. Кинетика процесса сушки

В отличие от статики процесса сушки, изучающей взаимодействие влажного материала с воздухом независимо от времени, кинетика рассматривает закономерность протекания этого явления во времени.

Наиболее полно характер протекания процесса сушки определяется совокупностью совмещенных на одном графике трех кривых: u = F(τ), выражающей зависимость между влагосодержанием материала и длительностью сушки τ, , представляющей взаимосвязь между скоростью сушки и влагосодержанием материалаU, и дающей зависимость между температуройТ и влагосодержанием материала U вовремя сушки (рис. 4).

Рис. 4. Типичные кривые сушки капиллярно- пористых коллоидных материалов

Анализ этих соотношений показывает, что весь процесс сушки можно разделить на три характерных периода: нагрев материала (а), участок постоянной скорости сушки (в) и время падающей скорости сушки (с).

Период нагрева материала. С повышением температуры влага с поверхности материала начинает интенсивно испаряться в окружающую среду. Быстро растущая температура достигает величины температуры мокрого термометра, а скорость сушки ‑ максимального значения.

Участок постоянной скорости сушки. В этот период влага удаляется с поверхности материала аналогично испарению воды с открытой (свободной) поверхности. Все подводимое тепло расходуется на испарение влаги, и, следовательно, материал не нагревается, и температура его поверхности остается постоянной.

Испарение влаги с поверхности создает перепад влагосодержания между наружными и внутренними слоями. Пока интенсивность поступления влаги из внутренних слоев к поверхности оказывается достаточной, температура материала остается постоянной. Но когда процесс обезвоживания приведет к уменьшению поступления влаги на поверхность, часть тепла будет расходоваться на нагрев материала. С этого момента начинается третий период, который называют периодом падающей скорости сушки.

К концу этого периода температура материала выравнивается с температурой окружающей среды (теплоносителя), а кривые влагосодержания и скорости сушки приближаются: первая к равновесному влагосодержанию U_p, а вторая к нулю. При равновесном влагосодержании сушка прекращается. Время пребывания зерна в сушилках обычно стремятся выбрать так, чтобы материал выходил из них в конце периода постоянной скорости сушки. Это предохраняет зерно от перегрева (температура теплоносителя обычно выше допустимой температуры нагрева зерна) и способствует экономии топлива (так как сушка в период падающей скорости неэкономична). Если даже зерно не досушено, продолжить технологический процесс лучше после отлежки, в течение которой произойдет перераспределение влаги в зерне и доступ ее к поверхности облегчится.

7.4.3. Динамика процесса сушки

Тепло, полученное зерном от теплоносителя, расходуется на испарение влаги и нагрев материала. Если количество тепла, полученное зерном от теплоносителя, обозначить как Q_тепл (теплообмена), тепла, затраченного на испарение, ‑ Q_исп, а расходуемого на нагрев,.‑ Q_нагр , то на основании закона сохранения энергии

. (11)

Могут быть определены и отдельные составляющие этого уравнения теплового баланса. Так, количество тепла, подводимого к зерну в единицу времени за счет теплообмена с окружающей средой, находят по уравнению Ньютона:

, (12)

где α ‑ коэффициент теплообмена;

Т_тепл ‑ температура теплообмена;

Т_м ‑ температура материала;

F ‑ площадь поверхности нагрева.

Количество тепла, затраченное на испарение,

,

где r ‑ теплота десорбции, равная скрытой теплоте парообразования;

М – масса испаренной влаги.

Если учесть, что в единицу времени количество испаренной влаги равно то, рассматривая процесс в динамике, количество тепла, израсходованного на испарение в единицу времени, можно найти, как

.

Учитывая, что

,

получится

.

Тогда

. (13)

Количество тепла, затраченное на нагрев,

,

где G ‑ масса нагретого тела;

с_м ‑ теплоемкость нагреваемой массы;

, (Т₂ ‑ T₁) ‑разность температуры нагрева.

Если процесс рассмотреть в динамике и отнести к единице времени, то

.

Но

,

.

Тогда

. (14)

На основе уравнения баланса (11) можно получить

,

или после незначительных преобразований –

. (15)

Получено так называемое основное уравнение сушки, которое связывает воедино скорость сушки и скорость нагревав зависимости от состояния и свойств зерна (Т_м, F, α,с_сух, W_a) и теплоносителя Т_тепл.

Это уравнение позволяет проанализировать и оценить влияние отдельных факторов на процесс сушки.