Тепло- и влагообмен в процессе сушки

23.06.2015

В процессе конвективной сушки твердых материалов, каким является зерно, происходит ряд взаимосвязанных явлений, основными из которых являются: передача теплоты от нагретого газа к поверхности влажного материала; распространение теплоты с поверхности материала к внутренним слоям; перемещение влаги внутри материала от центра к поверхности; испарение влаги и диффузия паров влаги с поверхности материала в окружающую газовую среду.
Для изучения сущности процесса сушки ограничимся рассмотрением явлений и закономерностей переноса теплоты и влаги на поверхности и внутри зерна.
Протекание процесса сушки во времени. Наиболее полно характер протекания процесса сушки во времени (рис. 2.1) определяется тремя кривыми:
1) wc = f(т), выражающей зависимость между абсолютной влажностью (т.е. на массу сухого вещества зерна) wc и длительностью процесса сушки т;
2) dwc/dт = f(wc), выражающей зависимость между скоростью сушки dwc/dт и влажностью зерна wc;
3) θ = f(wc), выражающей зависимость между температурой θи влажностью зерна wc в процессе сушки.
Анализ кривых показывает, что весь процесс сушки можно разделить на три характерных периода: нагрев а, период постоянной скорости сушки b и период убывающей скорости сушки с.
Период нагрева характеризуется повышением температуры зерна, испарением влаги с поверхности зерна в окружающую среду и одновременно перемещением влаги из внутренних слоев отдельных зерновок к их поверхности. К концу периода нагрева температура зерна достигает температуры испаряющейся жидкости (температуры «смоченного» термометра), а скорость сушки — максимального значения.
Период постоянной скорости сушки характеризуется тем, что вся подводимая теплота расходуется на испарение влаги, следовательно, зерно не нагревается. Температура его поверхности в течение этого периода остается постоянной и равна температуре «смоченного» термометра. Скорость сушки, являющаяся производной от влажности и определяемая в каждой точке как тангенс угла наклона касательной к кривой сушки wc=f(т), имеет максимальное значение и в течение всего периода остается постоянной.
К концу данного периода количество влаги, подводимой из внутренних слоев, недостаточно для поддержания определенной концентрации влаги на поверхности зерна.
Этот момент соответствует на графике (см. рис. 2.1) точкам 1 перегиба кривых сушки, которые получили название «первые критические точки».

Период убывающей скорости сушки характеризуется несоответствием между количеством влаги, поступающей из внутренних слоев, и тем количеством, которое необходимо для поддержания прежней интенсивности испарения. В результате скорость сушки уменьшается, а температура зерна увеличивается вследствие смещения зоны испарения в глубь отдельных зерновок.
Этот период делится вторыми критическими точками 2 на два участка. Условно можно считать, что слева — от начальной влажности зерна происходит удаление физико-механически связанной и осмотически поглощенной; справа — до достижения равновесной влажности — удаление адсорбционно-связанной влаги (в реальных условиях недопустимо).
В конце периода температура зерна выравнивается с температурой окружающей среды (агентом сушки), а кривые влажности и скорости сушки асимптотически приближаются: первая — к равновесной влажности wp, вторая — к нулю. При равновесной влажности сушка прекращается (скорость сушки равна нулю).
Внешний влагообмен (испарение влаги с поверхности зерна). В периоды нагрева и постоянной скорости сушки влага испаряется с поверхности зерна точно так же, как она испаряется с открытой (свободной) поверхности. Перенос пара с поверхности зерна в окружающую среду происходит в основном за счет разности парциального давления пара на поверхности зерна рз и окружающей среды рс. Интенсивность испарения [кг/(м2*ч)]

Внутренний влагоперенос (перемещение влаги внутри зерна). При подводе теплоты к зерну поверхность его начинает нагреваться, а влага с поверхности — испаряться. Таким образом, с самого начала процесса сушки — в период нагрева — поля влажности и температуры зерна становятся неоднородными (рис. 2.2): на поверхности зерна влажность будет ниже, а температура выше, чем в центральных слоях зерновки, т.е. появятся градиент концентрации влаги ∂u/∂n (направлен в сторону большей концентрации влаги) и температурный градиент ∂θ/∂n (направлен в сторону большей температуры).
Градиент концентрации влаги (градиент влагосодержания) вызывает миграцию (перемещение) влаги в сторону меньшей концентрации, т.е. в рассматриваемом случае из внутренних слоев к поверхности зерновки. Это явление называют влагопроводностью (или диффузией влаги).

Одновременно под действием температурного градиента возникает явление перемещения влаги в сторону более низкой температуры, т.е. в рассматриваемом случае от поверхности зерновки к ее центральным слоям. Это явление называют термовлагопроводностью (или термодиффузией влаги).
Таким образом, если в зерновке существуют градиенты влагосодержания и температуры, то возникают два потока влаги: один вследствие явления влагопроводности qmu и другой вследствие явления термовлагопроводности qm0.
В зависимости от направления градиентов влагосодержания и температуры возникающие потоки влаги могут иметь взаимно противоположное либо одинаковое направление, т.е. будут либо ослаблять, либо усиливать друг друга.