CC BY
10
УДК 674.047 Проф. П.В. Бтей, д-р техн. наук;
ст. викл. 1.А. Соколовський;
1НЖ. Ю.Л. Безноско - НЛТУ Украти, м. Львiв
ЗАКОНОМ1РНОСТ1 ВПЛИВУ РЕЖИМУ СУШ1ННЯ НА
К1НЕТИКУ ПРОЦЕСУ
Розглянуто вплив температури пов^ря, його вщносно'1 вологостi та швидкосп руху по штабелю на пгроскотчно^вноважний стан, рiвень критично! вологостi та кшетику процесу сушiння.
Prof. P.V. Bilej; senior teacher I.A. Sokolovsky; eng. Yu.L. Beznosko - NUFWT of Ukraine
Regularity of drying regime effect on the process kinetics
A effect of air temperature its relative moisture and motion velocity across the oiles on gidroscopic-equilibrium state and the level of critical moisture content on the process kinetics.
Режим конвективного сушшня (нагр^им повпрям, газами) вологих ма-тер1ашв характеризуется трьома параметрами: температурою пов1тря - tc, його вщносною волопстю - ф i швидюстю руху повпря - и. Ц параметри вплива-ють на швидюсть сушiння, рiвень критично! вологост матерiалу, пгроскошч-но-рiвноважний стан i технологiчнi властивост та яюсть матерiалу. Тому необ-хiдно використовувати такий режим, що за мшмально! тривалост процесу су-шiння та найменшш витратi тепла дае змогу отримати найкращi технологiчнi якостi висушуваного матерiалу. Здебiльшого, оптимальний режим сушiння важко створити у сушарках визначено! конструкцй i тому в реальнiй ситуаци пiдбирають рацiональний режим, який за окремими параметрами вiдрiзняеться вiд оптимального, але е придатним за даних конкретних умов [1, 2].
Сушшня е комплексним процесом, в якому теплотехшчш i техноло-гiчнi закономiрностi взаемопов,язанi мiж собою. Кiнетика процесу сушшня визначаеться як тепло- i масообмшом мiж поверхнею матерiалу i середови-щем, так i перенесенням тепла i вологи всерединi тша. Варто вiдзначити, що технологiчнi сторони процесу е виршальними для вибору режиму. Також варто вщзначити, що деревина е капшярнопористим коло!дним матерiалом.
Форма зв'язку поглинуто! речовини (вологи) з речовиною самого тiла здгйс-нюе основний вплив на механгзм перенесення тепла i вологи всерединi тiла, а також на технологгю сушiння. Матерiали, якi потрiбно висушувати, мають рiзну форму зв'язано! вологи. Якщо основна частина вологи зав'язана осмо-тично, то такий матерiал за сво!ми властивостями наближаеться до коло!дних тгл i закономiрностi процесу сушiння такого тгла мають ознаки (закономгр-ностг) сушiння коло!дних матерiалiв. Якщо основна маса вологи е адсор-бцгйно та капiлярно зв'язаною, то закономiрностi процесу мають ознаки сушшня капiлярнопористих матерiалiв.
У сушарках режим сушгння змiнюеться впродовж процесу, тобто су-шiння вiдбуваеться при змгнних режимних параметрах. Суворий аналiз кгне-тики процесу сушiння за таких умов е надзвичайно складним. Щоб виявити основнi закономiрностi кiнетики процесу сушшня розглянемо вплив кожного чинника (температури повгтря - tc, вгдносно! вологостi повiтря - ф, швидкостг руху повiтря - и) окремо. Кривг кiнетики сушiння також потрiбно системати-зувати за кожним з цих чинникгв. Наприклад, якщо вивчаеться вплив температури, то на графгки наносяться кривг сушiння, як вiдповiдають рiзним зна-ченням температури повггря, але для постiйних значень вгдносно! вологостi i швидкостi руху повгтря. Якщо початкова вологгсть матерiалу е ргзною, то кривг сушшня можуть бути приведеними до одно! початково! вологостг шляхом змгщення !х по вгсг абсцис за умови, якщо змгщення не виходять за межi критично! вологостг.
Найбгльш виразно вплив режиму сушгння на кгнетику процесу можна виявити на кривих гнтенсивностг (швидкостг) сушгння, якг представляють графгчну залежнгсть мгж гнтенсивнгстю сушгння i вологгстю матергалу. 1х можна використати також для якгсного аналгзу впливу режиму сушгння на кг-нетику процесу. З пгдвищенням температури повгтря збгльшуеться гнтенсив-нгсть сушгння та значення критичного вологовмгсту.
Вгдносна вологгсть повгтря (ф) гстотно впливае на гнтенсивнгсть сушшня у пергод постгйно! швидкостг. У пергод спадаючо! швидкостг вологгсть повгтря мае значення тгльки у першгй частит цього пергоду, а потгм вона майже не впливае на гнтенсивнгсть сушгння. Збгльшення вологостг повгтря ргзко знижуе гнтенсивнгсть сушгння i значення критично! вологостг, але для низьких температур пгдвищення вологостг повгтря мало впливае на гнтенсив-нгсть сушгння у другому пергодг.
Збгльшення швидкостг руху повгтря (и) помгтно шдвишуе гнтенсив-нгсть сушгння у першому пергодг i значно меншою мгрою впливае у кгнцг процесу сушгння. 1з збгльшенням швидкостг руху повгтря (при постгйних tc, ф) гнтенсивнгсть у першому пергодг збгльшуеться, а коефщгент вологопровгд-ностг a'm мало змгнюеться, тобто при tc= const також i a'm= const. Тому, збгль-шення швидкостг руху повгтря збгльшуе критичну вологгсть, а вологгсть на поверхнг коло!дних тгл майже доргвнюе границ пгроскошчностг (Wn ~ Wrr) i не змгнюеться з пгдвищенням швидкостг руху повгтря.
Збгльшення критично! вологостг, коли мала гнтенсивнгсть сушгння, пов'язане гз збгльшенням вологообмгнного критергю Кгрпгчова. Якщо знехту-вати впливом температурного поля, то можна записати:
W кр = Wn
+--KL-
П т 100
(1)
де: Wn.K - приведена критична волопсть; Ki'm - масообмшний критерiй Kipm-чова, який пропорцшний вiдношенню iнтенсивностi сушiння (jm) до коефь щента дифузи вологи (a'm), П - показник форми матеpiалу (для пиломатерь aniB П = 1).
Як вже вказувалось вище, збiльшення вологостi повiтpя зменшуе ш-тенсивнiсть сушiння (jm) i збiльшуе коефiцiент дифузи (вологопpовiднiсть -a'm). Цей факт пояснюеться тим, що з пiдвищенням вологостi повiтpя (при його постшнш темпеpaтуpi) температура тша зростае, а вiдповiдно буде збшьшуватись коефiцiент вологопpовiдностi - a'm, але зменшуеться зовтш-нiй вологообмiн, тому штенсивтсть сушiння (jm) зменшуеться. 1ншими словами, збiльшення вщносно! вологост повiтpя (ф) викликае piзке зменшення вологообмiнного кpитеpiю Kipпiчовa. У результат цього пiдвищення (ф) при tc= const, зменшуе критичну волопсть.
Шдвищення температури повiтpя (при ф = const) викликае одночасне збшьшення jm i a'm. Kоефiцiент a'm з пiдвищенням температури мaтеpiaлу збшьшуеться: при низьких температурах повiльно, а в област високих температур дуже piзко. Тому вiдношення jm/a'm, яке входить у критерш Шртчова, Ki'm, спочатку (область низьких температур) збшьшуеться при шдвищенш температури t, а потiм зменшуеться. У результат цього критична вологiсть з тдвищенням температури повiтpя змiнюеться по кривш, яка мае максимум. Вологiсть на поверхш тiлa Wn з тдвищенням температури змшюеться нез-начно поpiвняно iз змiною вiдношення jm/a'm.
a'= <p(tc), a'm=f (tm).
Змiнa режимних пapaметpiв tc, ф, и впливае на критичну волопсть WKp таким чином: з тдвищенням швидкост руху повггря - и (при tc= const, (р= const) критична волопсть (рис. 1) збшьшуеться (залежтсть WKp=f1 (и)); з пiдвищенням вщносно! вологостi повiтpя - ф (при tc = const, и = const) значен-ня WKp зменшуеться (залежтсть WKp = _/г(ф)); з пiдвищенням температури - tc (при ф = const, и = const) значення WKp змiнюеться за залежтстю WKp=f3(tc).
WKp=fl(u)
Рис. 1. Залежтсть WKp eid (ta ф, и)
Приведена критична волопсть е основною характеристикою техноло-гiчних властивостей матерiалу, який визначае величину коефщента сушiння i початок перюду спадаючо! швидкостi. Величину приведеного критичного вологовмюту можна визначити за кривою швидкост сушiння або за значен-ням вiдносного коефiцiента сушшня К, тобто
Жкп = ^ + Жр = - + Жр. (2)
К х
Така залежшсть Жк.п. вiд режиму сушшня дае змогу для шженерних розрахунюв користуватись для змiнних режимiв (коли у процесi сушiння змь нюються режимнi параметри - 1с та ф) формулою
1в (ж - Жр ) = 1в ( - Жр)-2К-Т. (3)
На швидюсть сушiння впливае не тшьки швидкiсть руху повiтря (и), але i його напрямок вщносно матерiалу. Вплив напрямку потоку е особливо помггним у перший перюд сушiння i майже не мае значення у юнщ процесу.
На швидюсть сушiння впливае також i теплове випромiнювання вiд оточуючих предме^в: стiн сушарки, калорифера, екрана, повiтропроводiв, якi розмiщенi у серединi сушарки. Вплив випромшювання е помiтним, коли е ютотна рiзниця температур випромшювача (наприклад, калорифера) i прий-мача (матерiалу). Якщо ця рiзниця е невеликою, то випромшюванням можна нехтувати. Додатковий потж тепла випромiнюванням дiе на швидкiсть су-шiння у виглядi дп екранованих поверхонь на збшьшення температури мате-рiалу, а, отже, i швидкостi сушiння.
Швидюсть сушшня у першому перiодi з врахуванням випромшювання дорiвнюе:
N = 100
Яу Ро
- Пов) + —(4 - 724)
Го Го
(4)
де: Т1 - температура випромшювача (Т = 273 + t, °С); Т2 - температура поглина-ча енергп (матерiалу); о - коефщент випромiнювання абсолютно чорного тша; С - постiйна випромiнювання, яка враховуе коефщент поглинання тепла повер-хнею матерiалу i характер взаеморозмщення випромiнювальних поверхонь.
У виробничих умовах матерiал завантажують у сушарку у виглядi ба-гаточисельних зразкiв, розмщених на близькiй вiдстанi один вщ одного. З метою пiдвищення продуктивност сушарки бажаним е бiльш шдльне укла-дання матерiалу. Зупинимось на питанш про вплив на швидюсть сушшня закритих для випаровування поверхонь матерiалу.
Поверхш зразка матерiалу, яю дотикаються один з одним або з полич-ками, називають екранованими; юльюсть вологи, що випаровуеться через щ поверхнi е мiзерною порiвняно з випаровуванням з вiдкритою поверхнею. Однак зменшення швидкост сушiння вщбуваеться не пропорцiйно до змен-шення поверхш випаровування. При несиметричному випаровуванш з повер-хнi необмежено! пластини п температура визначаеться за формулою:
Го
Цх) = tc --
2а
(+ь)+R (- ь
(5)
де: 7ь J2 - в1дпов1дна 1нтенсивн1сть випаровування на поверхнях пластини; В1 - критерш Бю; Я - половина товщини пластини.
Якщо штенсившсть випаровування з обох поверхонь е однаковою Ь =ь2 \ дор1внюе штенсивност випаровування з вщкрито! поверхш води, то
г,=с-а=т. (6)
а
Допустимо, що одна поверхня пластини мае волого1золящю ь'2=0, а на другш поверхш штенсившсть випаровування дор1внюе штенсивност випаровування води з вщкрито! поверхш ь = ь1. Насправд1 штенсившсть ((^) буде бшьшою за штенсившсть випаровування з вщкрито! поверхш за рахунок притоку тепла через волого1зольовану поверхню. У цьому випадку температура вщкрито! поверхш дор1внюе:
Г 1 л
Щ =
с
а
1 + 1
1 + Б1 -1
(7)
у
а/ ч
деь - штенсившсть випаровування, дортнюе ь = —(с - tпов).
го
Дослщи доводять, що зменшення поверхш випаровування у 2 рази зменшуе штенсившсть сушшня, а вщповщно 1 швидюсть сушшня приблизно тшьки на 30 %. Цей приклад пояснюе причину однаково! швидкост сушшня зразюв матер1алу при нер1вном1рному обтжант !х потоком пов1тря або при дотику зразюв м1ж собою.
Основш кiнетичнi характеристики. Основними кшетичними характеристиками процесу сушшня вологих матер1ашв е температурний коефщент сушшня В \ коефщент сушшня К. Температурний коефщент сушшня В е функщею вологовмюту 1 визначаеться емшричними формулами за величиною критерив Косовича (Ко) 1 Ребшдера (Яв), В = ЯвКо. Коефщент сушшня розра-ховують за величиною швидкост сушшня у першому перюд1 (Ы) { вщносним коефщентом сушшня (х), який у першому наближенш вираховуеться за сшв-вщношенням х = 1,8/и0 залежно вщ початкового вологовмюту - и0.
Критерш Ребшдера визначаеться за емшричними формулами залежно вщ вологовмюту (Ц) \ питомо! теплоемност (С) вологого тша. Тут С = С0 +СвЦ = С0+Ц, де С0 - теплоемшсть абсолютно сухого тша, а Св - теплоемшсть рщини (для води Св= 1,0). Тому доцшьно критерш Ребшдера виз-начати за вщношенням до абсолютно сухого тша (його теплоемност - С0), тод1 Яво = Со-Ь/го.
Критерш Косовича розраховуеться за величиною питомо! теплоти випаровування (г0), питомо! теплоемност (С) та заданим значенням вологовмю-ту (Ц0) 1 температури тша.
Таким чином, коефщ1ент дифузп (вологопровщност - а'т) у першому наближенш для даного матер1алу можна визначити залежно вщ вологовмюту тша { його температури. Якщо не можна знехтувати явищем термодифузп
(при високих температурах сушшня), то потрiбно визначати вщносний коефь
цiент термодифузп вологи - д. Вказаних вище критерпв достатньо для розра-
хунку кшетики процесу сушiння тiла i його температури у перюд спадаючо!
швидкост сушiння. У перiод постшно! швидкост сушiння iнтенсивнiсть теп-
2 • 2 лообмiну - q (Дж/(м -с)) i вологообмiну - } (кг/(м -с)) визначаються за наведе-
ними вище формулами тепло - i масообмiну. При цьому мiж q та } iснуе
простий взаемозв'язок q = }Г0. Знаючи основш параметри, якi характеризують
процес сушшня та його основш кшетичш характеристики процесу сушшня
вологого матерiалу, можна визначити тривалють сушiння i застосувати пот-
рiбний режим, щоб отримати найкращi результати.
Чинником, який сприяе поглибленню зони випаровування, е наявшсть температурного градiента, пiд впливом якого волога перемщуеться за напря-мом потоку тепла. Щоб зменшити шдведення вологи до поверхнi} потрiбно зменшити коефiцiент вологопровiдностi ат i збiльшити величину дЛ/йи. Ко-ефiцiент термовологопровiдностi д iз зменшенням вологост також змен-шуеться, тому в мiру сушiння потрiбно збшьшувати величину йХ/йП. Ця величина визначаеться з температурно! криво! t = ./(и), як тангенс кута tg у нахи-лу дотично! до вiсi вологостi (вологовмiсту), тобто tg у=&/йи.
Вибiр рацiонального режиму сушшня визначаеться такими вимогами:
• яшсть висушуваного матер1алу;
• збереження ф1зико-мехатчних властивостей деревини;
• мшмальна тривалшть процесу сушшня;
• мшмальна усадка;
• техтчна та технолопчна реал1защя режиму у сушильних камерах.
Лггература
1. Б1лей П.В. Теоретичш основи теплово! обробки 1 сушшня деревини (монограф1я). -Коломия: Вк. - 2005. - 364 с.
2. Серговский П.С., Расев А.И. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. - М.: Лесн. пром-сть, 1987. - 360 с.
3. Лыков А.В. Теория сушки. - М.: Энергия, 1968. - 472 с.
УДК 66.047 Проф. Я.М. Ханик, д-р техн. наук; acnip. Т.1. Римар;
О.М. Креховецький, канд. техн. наук - НУ "Львiвcькa nолiтехнiкa"
Г1ДРОДИНАМ1КА I К1НЕТИКА ПРОЦЕСУ СУШ1ННЯ ГЛИНИ У Щ1ЛЬНОМУ ШАР1 П1Д ЧАС 1Ч-НАГР1ВАННЯ
Наведено результати дослщжень пдродинамки та кшетики комбшованого сушшня глини з використанням 1Ч-на^вання. Показано характер гiдродинамiчних за-лежностей, яю змiнюються зi змшою висоти шару глини. Вивчено кшетику процесу сушiння глини комбiнованим способом.
Prof. Ya.M. Hanyk; T.I. Rymar; O.M. Krehovets'kyj-NU "L'vivs'kaPolitekhnika"
Hydrodynamics and kinetics of process of drying of clay in a dense layer during the infrared heating
In work the results of researches of hydrodynamics and kinetics of the combined drying of clay are resulted with the use of the infra-red heating. Character of hydrodynamic
