Глава 25.3 Взаимное распределение жидкости и газа в порах испаряющейся частицы и механизм переноса

Для коллоидных и коллоидных капиллярно-пористых тел за­висимость б (У) качественно не изменяется, хотя причины, вы­зывающие такую функциональную связь, иные.

При охлаждении материала изменяется величина и направ­ление температурного градиента. Это может привести к тому, что термовлагопроводность будет способствовать движению влаги от центра к периферии. В этой связи интересны резуль­таты, приведенные в работе [14]. С целью интенсификации сушки трудно сохнущих термолабильных материалов предло­жено использовать осциллирующий режим. Рабочее тело попе­ременно нагревали и охлаждали.

На стадии охлаждения снижался коэффициент внутренней диффузии, однако предполагалось, что параллельно с этим бу­дет возникать дополнительный термодиффузионный поток. В ре­зультате опытов выяснилось, что в этот период скорость сушки ничтожна мала, а при нагревании возникает обратный термо­диффузионный поток. Средняя скорость сушки при осциллирую­щем режиме оказалась меньшей, чем в случае, когда темпера­тура теплоносителя не изменялась. При периодической подаче сушильного агента с неизменной температурой удавалось добиться значительной интенсификации процесса, так как в пе­риод «отлежки», когда температура материала остается неиз­менной, а коэффициент диффузии высоким, происходит вырав­нивание влажности по всему объему материала. Далее обнаружено, что при изотермических условиях может изменяться такой теплофизический параметр, как удельная теплота испарения [14]. Это может быть следствием изменения характера связи влаги с материалом [17], а следовательно, и энергии этой связи.

Таким образом, нестационарные режимы сушки могут увели­чить интенсивность процесса, а в некоторых случаях и улучшить качество получаемого продукта [14].

Подход, примененный при выводе систем уравнений (4.38) и (4.40),—феноменологический. Его эффективность в боль­шой мере зависит от знания коэффициентов переноса, которые в процессе сушки не остаются постоянными. Кроме того, систе­мы (4.38) и (4.40) описывают однофазную среду — наличие разных фаз учитывается критерием фазового превращения, ко­торый, вообще говоря, в процессе сушки также изменяется. Более полное (и гораздо более сложное) описание процесса внутренней миграции влаги и тепла дает изучение физики дви­жения жидкой и газовой фаз и границы их раздела. Рассмот­рение переноса отдельно жидкой и газовой фаз влаги и движе­ния (углубления) границы (или зоны) раздела называют зада­чей Стефана.

Экспериментальные исследования показывают, что при суш­ке в материале обнаруживаются участки с резким изменением влагосодержания, что свидетельствует о наличии поверхности раздела зон с преобладанием той или иной фазы. Однако гово­рить о существовании четкой границы фазового перехода (как это имеет место в задаче Стефана [129]) нельзя, так как фа­зовый переход происходит во всей зоне между поверхностью материала и геометрической поверхностью с резким изменением влагосодержания.

Так, в [72] рассмотрены взаимное распределение жидкости и газа в порах испаряющейся частицы и механизм переноса влаги в изотермических условиях. Выделяются четыре характер­ные зоны. Во внешней газовой фазе, где поры осушены (U~0), массовый поток осуществляется в форме конвекции паровоз­душной смеси и диффузии пара. Во внешней двухфазной зоне перенос влаги происходит в газовой фазе и при пленочном те­чении. Во внутренней двухфазной зоне движение влаги осущест­вляется в результате капиллярного натекания (фильтрация жидкости в порах, обусловленная градиентом капиллярного дав­ления). И, наконец, во внутренней жидкостной зоне все поры заполнены жидкостью.

Задачи с двигающейся границей раздела фаз встречаются довольно часто (плавление, затвердевание, кристаллизация, промерзание, сублимация, горение и т. п.), однако решение их представляет большие трудности, особенно при нелинейных гра­нично-краевых условиях.