Тепломассоперенос в процессе конвективной сушки тонких плоских влажных материалов
Автор: Ольшанский А.И., Котов А.А.
Журнал: Вестник Витебского государственного технологического университета @vestnik-vstu
Рубрика: Технология и оборудование легкой промышленности и машиностроения
Статья в выпуске: 1 (38), 2020 года.
Бесплатный доступ
Изложена методика расчета конвективной сушки тонких материалов легкой промышленности на основе уравнения кинетики сушки А. В. Лыкова и метода расчета сушки Б. С. Сажина. Приведена обработка экспериментальных данных по сушке шерстяного войлока, натуральной кожи и ткани. Даны уравнения для определения плотностей тепловых потоков, интенсивности испарения влаги, длительности сушки и температуры для периода падающей скорости. Вычислены значения коэффициента теплообмена и числа Био для второго периода сушки. Установлено, что при мягких режимах сушки и незначительных градиентах температуры по сечению тонкого тела число Био принимает значения меньше единицы, и основным лимитирующим фактором при сушке тонких материалов является внешний тепловлагообмен поверхности испарения с окружающей средой. Показано, что относительная скорость сушки определяется только влагосодержанием материала и не зависит от режима сушки. Дано сопоставление расчетных параметров сушки по приведенным формулам с опытными значениями. Несовпадение значений находится в допустимой зоне точности проведения эксперимента.
Конвективная сушка, скорость сушки, влагосодержание, коэффициент теплопроводности, температура, интенсивность испарения, коэффициент теплообмена, число био
Короткий адрес: https://sciup.org/142224645
IDR: 142224645 | УДК: 66.047.1 | DOI: 10.24411/2079-7958-2020-13808
Текст научной статьи Тепломассоперенос в процессе конвективной сушки тонких плоских влажных материалов
Витебский государственный технологический университет
Кинетикой принято называть изменение среднего влагосодержания и средней температуры материала в процессе сушки. В условиях протекания процесса при мягких режимах сушки весь процесс разделяют на периоды прогрева материала, постоянной скорости сушки (первый период) и падающей скорости (второй период). При сушке тонких материалов период прогрева очень мал по сравнению с длительностью сушки. Период постоянной скорости протекает при постоянной температуре мокрого термометра tì . В большинстве случаев сушка при мягких режимах происходит и при постоянной температуре, равной tì . Второй период начинается от критического влагосодержания uêð с возрастанием температуры от tì до температуры среды tñ при времени сушки τ→ ∞.
Сушка ряда материалов может происходить сразу от начального влагосодержания u0 в периоде падающей скорости с непрерывным повышением температуры [1–3]. Сушка текстильных материалов после механического отжима также происходит в периоде падающей скорости [1–3]. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Основной задачей кинетики сушки является определение длительности сушки. Аналитический путь решения данной задачи очень сложен и не всегда возможен. В силу этих трудностей необходимо прибегать к экспериментальным исследованиям для разработки приближенных зависимостей для расчета кинетики сушки с минимальным числом постоянных, определяемых опытным путем [1, 3–5]. При этом более эффективными являются такие методы, которые основаны на наиболее общих закономерностях сушки и устойчивых комплексных переменных, характерных для процесса сушки. Выбор теплового режима, размер и тип сушильного аппарата существенно зависят от продолжительности сушки конкретного материала и решением этой задачи определяется эффективность работы установки, расход энергии на сушку и качество высушиваемого материала.
Целью исследования является разработка на основании уравнения кинетики сушки А. В. Лыкова с использованием метода расчета кинетики Б. С. Сажина достаточно простой надежной методики расчета длительности сушки исполь- зуемых в легкой промышленности тонких плоских влажных материалов, таких как натуральная кожа, ткань, войлок.
ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ Основное уравнение кинетики сушки запи шем в виде баланса тепла [1, 6]
Чп =]ПТ = а , Мп = ^^^, (1)
Qi Jrr «кР ^i '
где qI , qII – плотности потока тепла в первом и втором периодах сушки; jI , jII – интенсивность испарения влаги в первом и втором периодах сушки; r – теплота парообразования; α êð , α – коэффициенты теплообмена в первом и втором периодах сушки; Δ tI , Δ tII – разности температур в периодах сушки:
 
    t – среднеинтегральная температура во втором периоде; N * – относительная скорость сушки; Rb – число Ребиндера.
Путем обработки экспериментальных данных по сушке ряда различных материалов установлена обобщенная зависимость [6]
 
    ,
где Nuêð , Nu – теплообменные критерии Нуссельта в первом и втором периодах сушки.
Уравнение (2) представим в виде
 
    
    
    Экспериментальными исследованиями установлено [1, 3, 4, 6], что коэффициенты теплообмена α во втором периоде сушки изменяются с уменьшением влагосодержания материала по эмпирической зависимости [1, 4, 6]
 
    ,
где u и u êð – текущее и критическое влагосодер-жание материала, соответствующее переходу от первого периода сушки ко второму. Постоянная n зависит от вида влажного материала и не зависит от режима сушки.
На основании зависимости (4) и уравнения (1) запишем для тепловых потоков
 
    Плотность потока тепла в первом периоде сушки определяется по уравнению оде сушки
 
    ;
 
    , (8)
где ρ 0RVN – интенсивность испарения влаги в первом периоде сушки.
Температуру материала во втором периоде сушки можно определить из уравнения (1). Запишем, при Rb = 0
 
    
    Подставляя N * из уравнения (3), с учетом (4) получим
где ρ 0 – плотность сухого материала, RV = V/F = = δ – толщина материала, определяемая как отношение объема тела к площади его поверхности, N – скорость сушки в первом периоде. Тогда из уравнений (5) и (6) плотность потока тепла во втором периоде сушки
 
    .
Чи = 4i
_ xl,754-n М
xl,754-я
= rp^RyN —
. (7)
Среднеинтегральная температура во втором периоде сушки
■\
 
    
    Расход тепла на нагревание тонкого влажного материала значительно меньше расхода тепла на испарение из него влаги ( cвл• Δ t << r , где cвл – удельная теплоемкость влажного материала) и для таких тел число Ребиндера Rb << 1 [1, 6, 7].
В реальных условиях сушки тонких материалов при u → uð , где uð – равновесное влагосо-держание материала, числа Rb ≈ 0,1–0,25. При малых величинах числа Rb его значениями можно пренебречь.
Из уравнения баланса тепла (1) определяется интенсивность испарения влаги во втором пери-
Для материалов, сушка которых происходит в периоде падающей скорости, отношение вла-госодержани й ( u / u êð ) необходимо заменить на отношение ( u / u0 ).
Температуру материала во втором периоде можно вычислить по уравнению [7]
i = tc -(tc -1м\ехр(-т$ -гл) , (12)
где mt – темп нагрева.
Длительность сушки во втором периоде τ II определяется по формуле [3]
 
    . (9)
TII
 
    Мкр M р и- и
где K – эффективный коэффициент скорости сушки.
Темп нагрева тонкого влажного материала mt при малых значениях числа Био Bi < 1 равен [8, 14]
. (13)
с^-Ро 1Rr
Темп нагрева mt определяется из опыта путем измерения температуры в любой точке тела для двух последовательных моментов времени регулярного режима [7, 8, 14]
 
    
    Б. С. Сажиным в основу расчета кинетики сушки положено обобщенное уравнение массо-передачи [4, 9]
 
    где d u / d τ – скорость сушки; u ïð – влагосодер-жание, достигаемое материалом в стадии прогревания.
Интегрированием (14) от начального влагосо-держания u0 с учетом влагосодержания uïð получим длительность сушки до любого заданного значения текущего влагосодержания [9]
 
    Параметр Z определяется выражением [9]
 
    В системе координат Z = f ( τ ) кривые кинетики представляют собой прямые, угол наклона которых определяет скорость сушки K , а отрезки, отсекаемые по оси Z при u = uð , равны Z0 = u ïð , определяемые по уравнению (15).
На рисунках 1, 2 и 3 изображены кривые сушки u = f ( τ ) и температурная кривая t = f ( τ ) для одного из режимов сушки шерстяного войлока, стелечного полувала (натуральная кожа) и тонкой ткани. Кривые сушки для кожи и ткани взяты из [10, 11]. Значения режимов сушки соответствуют обозначениям, приведенным в таблице 1.
Обработка кривых кинетики сушки Z = f ( τ ), представленных на рисунках 1, 2 и 3 ( б ), дает простое уравнение длительности процесса сушки
 
    
    
    Величина Z0 определяется по (15) при значении u = uïð .
Скорость сушки влажного материала d u / d τ в общем случае определяется двумя механизмами переноса: механизмом тепломассообмена между поверхностью испарения тела и внешней средой (внешний перенос) и механизмом тепло-массопереноса внутри самого тела (внутренний перенос) [4, 9, 12].
При низкой интенсивности внешнего теплов-лагообмена при сушке тонких материалов при малых градиентах температуры теплообменный критерий Bi << 1. Лимитирующим фактором, определяющим интенсивность тепловлагообме-на, является взаимодействие поверхности испарения с внешней средой [4, 7, 9]. При этом в реальных условиях сушки тепловлагообменные критерии Bi и Bim оказываются приблизительно одинаковыми [13]. В этих условиях внутренний перенос слабо влияет на скорость сушки [4, 8, 14].
В результате обработки большого числа экспериментальных данных по сушке различных материалов была получена формула для теплообменного критерия Нуссельта [1, 6, 7, 15]
| Таблица 1 – Режимные параметры конвективной сушки войлока, стелечного полувала и шерстяной ткани | |||||||
| Показатели Режимы | tc , °C | υ , м/с | ф , % | ир | Ч , ° C | uKB ^р | N^10-3 , с1 | 
| Шерстяной войлок (рисунок 1) | |||||||
| 1 | 90 | 5 | 5 | 0,02 | 38 | 0,75 | 0,84 | 
| 2 | 120 | 3 | 5 | 0,02 | 40 | 0,75 | 1,03 | 
| 3 | 120 | 5 | 5 | 0,01 | 42 | 0,72 | 1,22 | 
| Стелечный полувал (рисунок 2) | |||||||
| 1 | 40 | 1 | 60 | 0,16 | 33 | 0,66 | 0,095 | 
| 2 | 60 | 1 | 45 | 0,145 | 36 | 0,8 | 0,118 | 
| 3 | 40 | 1 | 40 | 0,15 | 35 | 0,65 | 0,19 | 
| Шерстяная тонкая ткань (рисунок 3) | |||||||
| 1 | 90 | 5,3 | 6 | 0,02 | 40 | — | 11,2 | 
| 2 | 90 | 2,8 | 5 | 0,015 | 39 | — | 9,5 | 
| 3 | 87 | 0,9 | 4 | 0,062 | 35 | — | 5,5 | 
| 4 | 63 | 5,6 | 25 | 0,04 | 39 | — | 6,5 | 
| 5 | 50 | 5,6 | 30 | 0,045 | 30 | — | 4,5 | 
 
    Рисунок 1 - Кривые сушки U = f ( т ) и температурная кривая t = f ( т ) для режима сушки № 2 в процессе конвективной сушки шерстяного войлока (а) и зависимость параметра Z = f (т) (б). Режимы сушки указаны в таблице 1
 
    Рисунок 2 – Кривые сушки u = f ( τ ) и температурная кривая t = f ( τ ) для режима сушки № 2 в процессе конвективной сушки стелечного полувала (а) и зависимость параметра Z = f ( τ ) (б). Режимы сушки указаны в таблице 1
 
    Рисунок 3 – Кривые сушки u = f ( τ ) и температурная кривая t = f ( τ ) для режима сушки № 1 в процессе конвективной сушки ткани (а) и зависимость параметра Z = f ( τ ) (б). Режимы сушки указаны в таблице 1
 
    где Nu и Re – критерии Нуссельта и Рейнольдса; Tñ , Tì – абсолютные температуры среды и мокрого термометра.
Установлены значения коэффициента A и постоянной n в уравнении (18) [1, 6, 14, 15]: для шерстяного войлока A = 0,435, n = 0,5; для натуральной кожи A = 0,9, n = 0,65; для тканей A = 0,89, n = 0,42.
На рисунке 4 представлены зависимости lg α / α êð = f ( lg u / uêð ) для конвективной сушки тканей, натуральной кожи и шерстяного войлока [1, 6, 15].
Значения коэффициента теплообмена α , вычисленные по уравнению (18) и критерию Нуссельта
 
    духа; l – длина образца материала по направлению потока воздуха, даны в таблице 2.
Число Био
 
    где λ вл. – коэффициент теплопроводности влажного материала. За определяющий размер влажного тела принимается толщина материала δ . Значения числа Bi , вычисленные по (19), приведены в таблице 2.
Следует отметить, что в решениях дифференциальных уравнений тепломассопереноса для неограниченной пластины в краевых условиях третьего рода (сушка) за определяющий размер принимается половина толщины пластины, а начало координат помещается в центральной плоскости пластины. Следовательно, значения
 
     
    
    | Таблица 2 – Численные значения параметров кинетики конвективной сушки войлока, стелечного полувала, ткани и сопоставление полученных данных с экспериментом | ||||||||||||
| u | α , Вт/м2•град (18) | λ , вл. Вт/м•град (20) | Bi (19) | q, Вт/м2 (7) | j II •103, кг/м2•с (8) | τ , мин ýêñ. | τ , мин (15) | τ II, мин ýêñ. | τ II, мин (13) | t, °C ýêñ. | t, °C (11) | t, °C (12) | 
| Шерстяной войлок, пластина 200×150×6 ìì ; ρ 0 = 160 кг/м3 ; λ 0 = 0,052 Вт/м•град . Режим сушки: tñ = 120 °C ; υ = 3 м/с ; φ = 5 % ; u 0 = 1,14; u êð = 0,75; N = 0,96 • 10-3 ñ-1 ; tì = 42 °C ; α êð = 30,2 Вт/м2•град ; τ I = 6 мин ; qI = 2210 Вт/м2 ; jI =0,92 • 10-3 кг/м2•с ; mt = 0,022 мин-1 ; K = 0,014 мин-1 (режим сушки № 2) | ||||||||||||
| 0,7 | 29,2 | 0,278 | 0,64 | 2080 | 0,866 | 6,5 | 6,3 | 1,0 | 0,92 | 44 | 45 | 44,0 | 
| 0,6 | 26,7 | 0,237 | 0,67 | 1817 | 0,756 | 8,2 | 8,2 | 2,5 | 2,9 | 45 | 45,5 | 46,4 | 
| 0,5 | 23,6 | 0,212 | 0,66 | 1549 | 0,644 | 11,0 | 10,6 | 5,0 | 5,2 | 48 | 49 | 50,0 | 
| 0,4 | 17,8 | 0,176 | 0,62 | 1273 | 0,531 | 14,0 | 13,5 | 8,0 | 8,2 | 50 | 52 | 52,5 | 
| 0,3 | 12,6 | 0,142 | 0,59 | 989 | 0,412 | 17,0 | 17,2 | 11,5 | 11,9 | 57 | 58 | 60,5 | 
| 0,2 | 10,7 | 0,114 | 0,61 | 694 | 0,288 | 21,5 | 22,4 | 16,5 | 17,2 | 62 | 63 | 64,5 | 
| 0,1 | 8,6 | 0,084 | 0,63 | 378 | 0,157 | 29,5 | 31,3 | 20,5 | 23,5 | 64 | 65 | 68,0 | 
| Стелечный полувал, пластина 200×150×2,8 ìì ; ρ 0 = 585 кг/м3 ; λ 0 = 0,121 Вт/м•град . Режим сушки: tñ = 60 °C ; υ = 1 м/с ; φ = 60 % ; u 0 = 1,34; u êð = 0,8; u ð = 0,145; N = 0,12 • 10-3 ñ-1 ; tì = 35 °C ; α êð Вт/м2•град ; qI = 473 Вт/м2 ; jI =0,197 • 10-3 кг/м2•с ; mt = 1,145 • 10-3 мин-1 ; K = 0,025 мин-1 (режим сушки № 2) | = 18,8 | |||||||||||
| 0,7 | 16,8 | 0,227 | 0,21 | 407 | 0,17 | 57 | 58 | 17 | 16,3 | 36 | 36,5 | 35,6 | 
| 0,6 | 15,6 | 0,196 | 0,192 | 341 | 0,14 | 68 | 69 | 28 | 29,5 | 37 | 37,0 | 36,5 | 
| 0,5 | 13,2 | 0,192 | 0,20 | 277 | 0,11 | 92 | 94 | 52 | 51,1 | 38 | 37,5 | 37,6 | 
| 0,4 | 11,2 | 0,165 | 0,185 | 216 | 0,09 | 120 | 121 | 81 | 78,8 | 39 | 38,5 | 38,3 | 
| 0,3 | 9,5 | 0,154 | 0,177 | 155 | 0,06 | 158 | 159 | 119 | 120 | 40 | 39,5 | 39,2 | 
| 0,25 | 8,3 | 0,147 | 0,158 | 126 | 0,05 | 178 | 180 | 145 | 152 | 41 | 41,5 | 40,6 | 
| Шерстяная ткань, толщина δ = 0,4 • 10-3 ì ; ρ 0 = 100 кг/м3 ; λ 0 = 0,046 Вт/м•град . Режим сушки: tñ = 90,5 °C ; υ = 5,3 м/с ; φ = 6 % ; u 0 = 1,1; u êð = 1,1; u ð = 0,025; N = 11,2 • 10-3 ñ-1 ; tì = 40 °C ; α макс = 25,3 Вт/м2•град ; qI = 1075 Вт/м2 ; jI =0,45 • 10-3 кг/м2•с ; mt = 3,5 • 10-3 мин-1 ; K = 2,52 мин-1 (режим сушки № 1) | ||||||||||||
| 0,8 | 18,4 | 0,238 | 0,031 | 860 | 0,35 | 0,35 | 0,37 | — | — | 40 | 42 | 43,0 | 
| 0,7 | 16,2 | 0,214 | 0,030 | 770 | 0,33 | 0,50 | 0,52 | — | — | 45 | 44 | 45,8 | 
| 0,6 | 14,8 | 0,190 | 0,029 | 688 | 0,29 | 0,67 | 0,68 | — | — | 47 | 46 | 46,2 | 
| 0,5 | 13,6 | 0,167 | 0,028 | 602 | 0,26 | 0,83 | 0,84 | — | — | 50 | 48 | 48,7 | 
| 0,4 | 11,8 | 0,142 | 0,027 | 510 | 0,22 | 1,00 | 1,00 | — | — | 51 | 50 | 49,4 | 
| 0,3 | 8,7 | 0,119 | 0,024 | 413 | 0,18 | 1,27 | 1,30 | — | — | 54 | 54 | 52,6 | 
| 0,2 | 6,8 | 0,096 | 0,021 | 310 | 0,13 | 1,60 | 1,63 | — | — | 56 | 57 | 55,7 | 
| 0,1 | 5,3 | 0,072 | 0,018 | 184 | 0,08 | 2,43 | 2,37 | — | — | 65 | 62 | 61,5 | 
В процессах термической обработки и тепломассообменных процессах сушки важное значение приобретают исследования по изучению изменения коэффициента теплопроводности в зависимости от влагосодержания и температуры. Установлено, что в общем случае с повыше- нием температуры и влагосодержания материалов коэффициент теплопроводности возрастает [1, 4, 8, 16].
Основным требованием для получения более точных значений Хвл является кратковременность теплового воздействия на влажный мате- риал в эксперименте [8].
В результате изучения и анализа ряда источников [8, 11, 14, 16–19] с возможной точностью уст а новлены закономерности изменения λ вл. = f ( t , u ) для исследуемых материалов. При обработке опытных данных за основу была принята формула В. И. Дубницкого [1, 8].
 
    где λ 0 – коэффициент теплопроводности сухого материала.
В результате установлены приближенные за-
Таблица 3 – Значение параметра Z по формуле (16) и сравнение длительности сушки по уравнению (15) с экспериментом в процессах сушки войлока, натуральной кожи и ткани
Для шерстяного войлока
/1^ = 0,053 + 2,7-10 3 • t • и • ехр(- 2 • и ) Вт/м град
Для натуральной кожи
 
    Влияние температуры и влажности тканей на
Х вл = f ( t й ) хорошо изучено [5,16].
Для шерстяных тканей
 
    для хлопчатобумажных тканей
 
    где Х 0 = 0,046 Вт/мтрад - теплопроводность сухих тканей; W - влагосодержание ткани, % .
Влиянием температуры на изменение λ вл. в пределах до 80 °C можно пренебречь [16].
Результаты расчетов кинетики сушки по полученным уравнениям для процессов сушки исследуемых материалов представлены в таблицах 2 и 3 и дано сопоставление расчетных значений с экспериментальными. Погрешность в разбросе значений параметров находится в пределах точности обработки опытных данных. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основное уравнение кинетики сушки А. В. Лыкова совместно с методом расчета кинетики Б. С. Сажина позволяет полностью определить все основные кинетические характеристики тепловлагообмена. Значения параметров, вычисленные по формулам, хорошо согласуются с экспериментом.
Использование полученных уравнений в инженерной практике позволит значительно сократить число трудоемких и сложных экспериментов и объем расчетной работы при обработке опытных данных, необходимых для обоснованного и правильного выбора сушильного оборудования.
Список литературы Тепломассоперенос в процессе конвективной сушки тонких плоских влажных материалов
- Лыков, А. В. (1968), Теория сушки, Москва, 472 с.
- Натареев, О. С., Кокина, Н. Р., Натареев, С. В. (2015), Теплоперенос в процессе конвективной сушки влажного материала, Известия вузов, Химия и химическая технология, 2015, No 2, С. 65-70.
- Рудобашта, С. П. (2015), Теплотехника, Москва, 672 с.
- Акулич, П. В. (2010), Расчеты сушильных и теплообменных установок, Минск, 443 с.
- Балыхин, М. Г., Разумеев, К. Э., Кошелева, М. К., Захарова, А. А. (2015), Процессы сушки и термовлажностной обработки в текстильной и легкой промышленности, Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе, Сборник научных статей Первых Международных Лыковских научных чтений, Москва, 2015, С. 193-20
- Лыков, А. В., Куц, П. С., Ольшанский, А. И. (1972), Кинетика теплообмена в процессе сушки влажных материалов, Инженерно - физический журнал, 1972, Т. 23, No 3, С. 401-406.
- Ольшанский, А. И., Гусаров, А. М. (2017), Экспериментальное исследование кинетики сушки тонких, плоских влажных материалов методом регулярного режима с использованием обобщенных комплексных переменных, Инженерно - физический журнал, 2017, Т. 90, No 3, С. 700-713.
- Васильев, В. Н., Куцакова, В. Е., фролов, С. В. (2013), Технология сушки. Основы тепло- и массопереноса, Санкт - Петербург, 224 с.
- Сажин, Б. С., Сажин, В. Б. (1997), Научные основы техники сушки, Москва, 447 с.
- Филоненко, Г. К., Лебедев, П. Д. (1952), Сушильные установки, Москва - Ленинград, 262 с.
- Лыков, А. В. (1938), Кинетика и динамика процессов сушки и увлажнения, Москва, 776 с.
- Кошелева, М. К., Рудобашта, С. П. (2015), Особенности процесса сушки нетканых текстильных материалов, Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе, Сборник научныхстатей Первых Международных Лыковскихнаучных чтений, Москва, 2015, С. 205-210.
- Лыков, А. В., Михайлов, Ю. А. (1963), Теория тепло- и массопереноса, Москва - Ленинград, 536 с.
- Кавказов, Ю. Л. (1973), Тепло- и массообмен в технологии кожи и обуви, Москва, 272 с.
- Ольшанский, А. И., Климентьев, А. Л., Петренко, В. В. (2018), Исследование кинетики конвективной сушки натуральных кож, Вестник Витебского государственного технологического университета, 2018, No 1 (34), С. 49-62.
- Колесников, П. А. (1965), Теплозащитные свойства одежды, Москва, 345 с.
- Франчук, А. У. (1969), Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов, Москва, 143 с.
- Григорьев, И. С. (1991), Физические величины.Справочник, Москва, 1232 с.
- Блэзи, В. (2012), Справочник проектировщика.Строительная физика, Москва, 616 c.
 
	 
		