Экспериментальное исследование конвективной сушки льняного волокна Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

е(к)

0.8

1 / [ 2/ / 3

Рис. 4. Расчетная кинетика сепарации: 1 - без учета влияния концентрации и пробок, 2-е учетом влияния концентрации (без пробок), 3-е учетом влияния концентрации и пробок Fig. 4. Calculated kinetics of separation. 1 - without influence of concentration and particle plugs, 2 - with influence of concentration (no particle plugs), 3 — with influence of concentration and particle plugs

На рис. 3 показано распределение содержания частиц по ячейкам в различные моменты времени (после различного числа переходов), начиная с заданного начального распределения. При движении частиц к нижней границе сепарацион-ной камеры сначала пробок не образуется (к=50).

но по мере достижения ими границы зоны в нижних ячейках формируется пробка (к=100, 150), которая полностью рассасывается к 250-му переходу.

Рис. 4 иллюстрирует расчетную кинетику сепарации частиц при разном уровне учета влияющих эффектов.

Из рисунка видно, что при отсутствии учета всех эффектов, наблюдаемых на рис. 3, расчетная скорость сепарации существенно завышена, что часто и наблюдается при сравнении опытных данных с расчетными, полученными на основе упрощенных моделей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Berthiaux H., Mizonov V. // Canadian Journal of Chemical

Engineering. V. 85. N 6. 2004. P. 1143-1168.

2. Болотов И.А., Мизонов B.E., Зайцев RA, Жуков П.В. //

Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2010. Т. 53. Вып. 8.

С. 97-99;

Bolotov I.A., Mizonov V.E., Zaiytsev V.A., Zhukov P.V. //

Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010.

V. 53. N 8. P. 97-99 (in Russian).

Кафедра прикладной математики

k

УДК 662.612

Г.А. Зуева, Г.Н. Кокурина, В.М. Дмитриев, Н.А. Зуев, В.А. Карасев ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА

(Ивановский государственный химико-технологический университет. Тамбовский государственный технический университет) e-mail: zueva_galina 15 @mail. ru

Проведено исследование процесса конвективной сушки льняного волокна. Определены пористость и плотность материала, на специально созданной экспериментальной установке получены данные по кинетике сушки и нагрева льняного волокна, на основании которых построены кривые сушки и нагрева, приведена и описана зависимость влагосо-держания от температуры сушильного агента.

Ключевые слова: сушка, льняное волокно, кривые сушки и нагрева

ВВЕДЕНИЕ

Важным составляющим элементом такого широко распространенного процесса, как сушка, является описание кинетики тепломассопереноса применительно к единичному телу, например, волокну.

По своим физико-химическим свойствам большинство волокнистых материалов относится к коллоидным капиллярно-пористым материалам, к гидрофобным материалам с плохо смачиваемыми стенками пор, в которых затруднен капиллярный перенос жидкофазной влаги. Поэтому при

описании процесса сушки на микроуровне (отдельное волокно) мы остановились на модели с углублением поверхности испарения [1]. Нами построено математическое описание процесса сушки тела цилиндрической формы последовательно для всех периодов сушки, включая период падающей скорости сушки (внутридиффузионный кинетический режим) [2-3]. Для этого сформулирована и аналитически решена методом дифференциальных рядов сопряженная задача теплопроводности для неограниченного цилиндра с движущейся границей испарения в нем (задача

Стефана) при граничном условии третьего рода, произвольном начальном распределении температур и переменной температуре среды. Получена расчетная формула для нахождения текущего вла-госодержания материала по найденному закону перемещения границы испарения, если известно исходное значение влагосодержания [3].

С целью идентификации параметров модели и проверки ее адекватности нами проводятся экспериментальные исследования ряда волокнистых материалов [4]. В данной работе проведено исследование параметров пористой структуры, кинетики сушки и нагрева льняного волокна, изготовленного в институте химии растворов РАН.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРИСТОСТИ И ПЛОТНОСТИ МАТЕРИАЛА

Для образца льняного волокна определяли следующим образом пористость и плотность абсолютно сухого материала.

Находили наружный объем волокна:

К. =

тid; 4

l,

(1)

где с1в, / — диаметр и длина волокна соответственно; кажущуюся плотность (по наружному объему) или плотность абсолютно сухого материала определяли по формуле:

С

Ро

_ СМ

F„„

(2)

где Осл,. — масса сухого материала.

Заметим, что истинная плотность волокна р„ст, его кажущаяся плотность р0 и пористость е связаны формулой:

Ро=Р™<-е,- (3)

Из кривой сушки волокна находили массу влаги приходящуюся на один килограмм сухого материала, используя начальное влагосодер-жание материала. Считали, что влага находится только в порах, а сама матрица материала влагу не поглощает.

Пористость определяли по формуле:

8 = ■

К,

GL

•Ро

•<7.

(4)

где Fnop, КЛ(Г| - объем пор и материала соответственно.

Результаты измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики исследованного льняного волокна Table 1. Characteristics of investigated linen fibre

Диаметр волокна Пористость s, м3/м3 Плотность абсолютно сухого материала ро, кг/м3

3 0,30 136

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ СУШКИ ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА

Методика эксперимента. Исследуемый образец увлажняли при помощи пипетки с калиброванным объемом капли. Затем осуществляли выдержку (5 мин) для распределения влаги в образце. Наблюдения под микроскопом показали, что образец отлично смачивается водой, и распределение влаги по образцу происходит очень быстро. При такой подготовке начальное влагосодер-жание образца во всех опытах устанавливалось практически одинаковым с незначительной погрешностью. Эти обстоятельства позволили строить полную кинетическую кривую сушки на основе ряда опытов с прерыванием процесса и измерением убыли влаги в разные временные интервалы.

На рис. 1 приведена схема лабораторной конвективной сушилки. Температура теплоносителя в сушилке может меняться в пределах 30 — 200°С, скорость теплоносителя 0,5 - 5 м/с.

5

6

8

Рис. 1. Схема лабораторной конвективной сушилки: i-термо-стат, 2- калориферы, 5-подвеска с образцом, -/-центробежный вентилятор, 5-терморегулятор, 6-весы торсионные, 7-байпасные воздуховоды, S-рабочий канал Fig. 1. The scheme of laboratory convective drier: i-thermostat, 2-heaters, 3-suspension bracket with the sample, ^-centrifugal fan, 5-temperature regulator, 6-torsion weights, 7-bypass air lines, 8-working channel

Данные по кинетике сушки получали следующим образом. Начальный вес образца определяли на отдельных торсионных весах. Установку выводили на требуемый температурный режим. Точность поддержания температуры 0,2°С. Устанавливали требуемую скорость движения теплоносителя в измерительной камере. Образец подвешивали на нить (леска диаметром 0,08 мм) и помещали его в измерительную камеру. Время

7

подготовки около 2 с. По окончании заданного интервала времени сушки установку выключали и, без изъятия образца из камеры, производили взвешивание образца. Продолжительность замера до 2-3 с. Затем образец досушивали до сухого веса, извлекали из сушилки и снова увлажняли. При повторном опыте временной интервал увеличивался. Таким образом, серия опытов с различными интервалами времени разового замера веса образца позволила построить полную кривую кинетики сушки образца. Термограмма записывалась на параллельных опытах с очень хорошей воспроизводимостью.

Используемые приборы: весы торсионные О - 100 мг и 0 - 500 мг (производство Польши, тип PRLT, фирма Techniprot). Термопара ХК диаметром 0,1 мм в комплекте с вторичным прибором 2ТРМОА.

Кривые сушки и нагрева получали при поперечном обдуве образца волокна цилиндрической формы (длина 30 мм, диаметр 3 мм) теплоносителем со скоростью 5 м/с, при температурах теплоносителя 40, 50, 60°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ АНАЛИЗ

По полученным экспериментальным данным были построены кривые сушки для льняного волокна (рис. 2) и кривые нагрева (рис. 3). Кинетические кривые строили с помощью программы Advanced Grapher (version 2.11). Экспериментальные кривые сушки описаны полиномами для облегчения дальнейшего анализа.

Кривые сушки имеют типичный характер. На них можно выделить следующие участки. Первый участок соответствует периоду прогрева материала (в данном случае он слабо выражен), следующий прямолинейный участок - периоду постоянной скорости сушки (первому периоду сушки), последний участок — периоду падающей скорости сушки (второму периоду). Наличие первого периода сушки свидетельствует о том, что интенсификация процесса может быть достигнута увеличением скорости движения сушильного агента.

На первом участке происходит стабилизация процесса тепловлагообмена высушиваемого тела с окружающей средой. Из полученных кривых сушки видно, что для исследованных материалов характерен достаточно длительный первый период сушки, который характеризуется незначительным сопротивлением материала перемещению влаги к его поверхности. Теплоноситель (воздух) у поверхности материала насыщен водяными парами, что предопределяет постоянную скорость сушки и как следствие — линейный характер изменения влажности материала в первом

периоде сушки. Во втором периоде сушки сопротивление передвижению влаги из глубинных слоев материала к поверхности тела увеличивается, что приводит к замедлению процесса сушки: прямолинейный отрезок переходит в криволинейный.

и, кг/кг с.м.

/, С

Рис. 2. Кинетика сушки льняного волокна: i-9=40°C;

2-9=50°С; 5-8=60°С Fig. 2. Drying kinetics of linen fibre: i-9=40°C; 2-9 =50°C;

5-9 =60°C

Из полученных кривых сушки (рис.2) были определены значения критического влагос о-держания, разграничивающего первый и второй периоды сушки. Их значения: г/кр=1,2 кг/кг с.м. при 0=4О°С; икр=1,69 кг/кг с.м. при 0=5О°С; г/кр=1,81 кг/кг с.м. при 0=6О°С. В пределах исследованных температур критическое влагосодержа-ние льняного волокна может быть описано линейной функцией от температуры: г7Кр=0,030 +0,04. Среднеквадратичное отклонение составляет 0,08. Как видно из рис. 2, с увеличением температуры воздуха значения критического влагосодержания возрастают. Это объясняется следующим. С увеличением температуры сушильного агента критическая точка на графиках смещается в область больших значений влагосодержания. Такой характер изменения г7кр с температурой, согласно A.B. Лыкову, характерен для низкотемпературной сушки и объясняется следующим [5]. При повышении температуры воздуха одновременно увеличиваются и интенсивность сушки, и коэффициент диффузии влаги в материале (коэффициент мас-сопроводности), но, поскольку при низких температурах коэффициент диффузии влаги увеличивается медленно, то это приводит к росту критиче-

ского влагосодержания. При больших же температурах воздуха коэффициент диффузии влаги с температурой резко возрастает, что приводит, наоборот, к уменьшению критического влагосодержания с температурой. Поскольку в данной работе исследовался низкотемпературный процесс сушки, то на опытных кривых сушки наблюдалось увеличение критического влагосодержания с температурой.

О 120 240 360 480 600 t, с Рис. 3. Кинетика нагрева льняного волокна: i-6=40°C, 2-0=50°С, 5-0=60°С Fig. 3. Heating kinetics of linen fibre: i-6=40°C. 2-9=50°C.

3-в =60°C

Кривые нагрева льняного волокна при различных температурах воздуха приведены на рис. 3. Особенностью полученных кривых нагрева является то, что в первом периоде сушки наблюдается слабое повышение температуры материала. Это свидетельствует о том, что часть подводимой к волокну конвективной теплоты расходуется на изменение теплосодержания материала. В связи с тем, что при построении математической модели сушки волокна мы считали, что в первом периоде сушки вся подведенная теплота идет на испарение влаги, была проверена правомерность этого условия, а именно: были рассчитаны и сопоставлены затраты теплоты на испарение влаги и на нагрев материала в первом периоде сушки. Результаты этих расчетов приведены в табл. 2. Как видно из табл. 2, доля теплоты, расходуемой на испарение влаги в первом периоде сушки, незначительна. Этим объясняется то, что скорость сушки в первом периоде практически остается постоянной, что позволяет ввести допущение о том, что в первом периоде сушки вся подведенная теплота расходуется на испарение влаги [3].

Кафедра прикладной математики

Таблица 2

Соотношения количеств теплоты, расходуемых на испарение влаги и нагрев волокна в первом периоде сушки

Table 2. Ratios the heat quantities spent for moisture evaporation and heating the fibre at the first period of

drying

9, °С б„си, кДж б„аг, кДж (QuJQ«,* )100 %

40 0,187 0,000341 0,18

50 0,152 0,000222 0,19

60 0,143 0,000292 0,155

Полученные опытные данные могут быть использованы при инженерном расчете кинетики процесса сушки льняного волокна по математической модели, представленной в [2-3].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получены экспериментальные кривые сушки и нагрева льняного волокна в условиях конвективной сушки при различных температурах сушильного агента (воздуха) в интервале от 40 до 60°С. Проведен анализ полученных экспериментальных данных с целью выделения первого и второго периодов сушки. Экспериментально определена пористость волокна и его плотность в абсолютно сухом состоянии.

Полученные в ходе эксперимента данные необходимы для сопоставления с результатами численного эксперимента и проверки адекватности предложенной нами математической модели сушки волокна.

ЛИТЕРАТУРА

1. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия. 1980. 248 е.;

Rudobashta S.P. Mass transfer in systems with a solid phase. M.: Khimiya. 1980. 248 p. (in Russian).

2. Зуева Г.А, Кокурина Г.Н., Падохин B.A., Лукьянчи-кова H.R // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 1. С. 119-121;

Zueva G.A., Kokurina G.N., Padokhin V.A., Luk'yan-chikova N.V. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. Nl.P.l 19-121 (in Russian).

3. Зуева Г.А., Кокурина Г.Н., Падохин В.А., Зуев Н.А //

Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 9. С. 102-105;

Zueva G.A., Kokurina G.N., Padokhin V.A., Zuev N.A. //

Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N 9. P. 102-105 (in Russian).

4. Зуева Г.А, Кокурина Г.Н., Падохин B.A., Зуев Н.А //

Изв. вузов. Химия и хим. технология. 20109. Т. 53. Вып. 7. С. 93-96;

Zueva G.A., Kokurina G.N., Padokhin V.A., Zuev N.A. //

Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2010.

V. 53. N 7. P. 93-96 (in Russian).

5. Лыков A.R Теория сушки. M.: Энергия. 1968. 472 е.; Lykov A.V. Theory of drying. M.: Energiya. 1968. 472 p. (in Russian).