Глава 23. Тепломассоперенос в процессах сушки

Закономерности процесса сушки влажного тела определяют­ся одновременным протеканием ряда физических явлений пере­носа тепла и массы: теплообменом между поверхностью мате­риала и окружающей средой, испарением влаги с поверхности материала в окружающую среду (массоотдача), перемещением тепла внутри материала (теплоперенос), перемещением влаги внутри материала (массоперенос).

Рассматривая процесс сушки как массообменный и учиты­вая, какая из стадий переноса влаги является лимитирующей, можно выделить следующие технологические задачи сушки:

1)     внутреннюю — диффузионное сопротивление переносу влаги внутри материала значительно превышает диффузионное сопротивление пограничного слоя при удалении влаги с по­верхности материала в окружающую среду. Необходимость ре­шения этой задачи связана с сушкой материалов до низкого остаточного влагосодержания;

2)      внешнюю — сопротивление пограничного слоя переносу влаги намного больше внутридиффуэионного сопротивления ма­териала. Такая задача возникает при удалении свободной и ела- босвязанной влаги;

3)     смешанную — внутридиффузионное сопротивление и со­противление пограничного слоя примерно одинаковы. В этом случае при расчете сушки необходимо учитывать влияние внеш­них и внутренних факторов.

В большинстве случаев влажность высушиваемых материа­лов превышает 30%, при этом поверхность тела покрыла сплош­ной пленкой влаги, влагой заполнены все микрокапилляры (r<10^-7 м) и большинство (макрокапилляров (r>10^-7 м). Вла­га испаряется с поверхности жидкостной пленки, перемещается через пограничный слой к окружающей газовой среде под воз­действием молекулярной диффузии и отводится от поверхности тела в результате конвективной диффузии.

Основным сопротивлением на пути массопереноса от пленки жидкости к окружающей газовой среде является ламинарный пограничный слой — скорость диффузии газа через слой опре­деляет интенсивность испарения влаги с поверхности тела. При больших скоростях воздуха относительно поверхности испаре­ния возникают турбулентные вихри [157, 158, 159], разрушаю­щие на шекоторых участках пограничный слой и вырывающие макроскопические объемы жидкостной пленки, что значительно повышает коэффициент массоотдачи.

При влажности материала больше гигроскопической пар, об­разующийся у поверхности, является насыщенным, и температу­ра поверхности в случае конвективной сушки равна температуре мокрого термометра. Скорость сушки остается приблизительно постоянной, так как интенсивность сушки равна интенсивности испарения влаги со свободной поверхности жидкости. После исчезновения сплошной пленки жидкости с поверхности тела влага испаряется из концевых участков капилляров. Интенсив­ность сушки при этом несколько увеличивается, поскольку уве­личивается фактическая поверхность испарения.

При достижении материалом влажности меньше гигроскопи­ческой интенсивность сушки резко падает, охлаждающее дейст­вие испарения прекращается, и температура поверхности тела постепенно увеличивается, приближаясь к температуре теплоно­сителя. Поверхность испарения начинает перемещаться вглубь тела.

Необходимое для испарения тепло передается от теплоноси­теля к поверхности тела, затем в результате теплопроводности проникает вглубь материала к зоне испарения. Тепло расходу­ется также на нагрев материала и перегрев паров, диффунди­рующих через высушенную зону материала.