8.1. Тепловые свойства водяного пара как сушильного агента

Уравнение состояния и степень насыщенности параПо физическим свойствам перегретый пар близок к идеальным газам и подчиняется уравнению состояния газов Менделеева — Клапейрона, которое для 1 кг пара имеет вид

где рп — давление пара, Па (кгс/м2); Vп — объем 1 кг пара, м3; Т — абсолютная температура, К; Rл — газовая постоянная пара, равная 462 Дж/(кг•К) [47,1 кгс•м/(кг•°С)].

Выражая объем пара Vп через его плотность рп (кг/м3), из соотношения рп=1/Vп получим

где t — температура (в технических расчетах T=273+t),°С.

а объем 1 кг пара Vп=1,ρп=1,90 м3/кг, т. е. в 1900 раз больше объема 1 кг воды.

Как и для других газов, теплоемкость пара возрастает с повышением температуры. В небольшом диапазоне температур 100—150° С при постоянном давлении она может быть в среднем принята 2 кДж/(кг•К)[0,48 ккал/(кг•° С)]. Энтальпия сухого насыщенного пара при давлении 0,1 МПа и температуре 99,6° С составляет 2675 кДж/кг (639,0 ккал/кг) (см. табл. 1).

Для перегретого пара, подчиняющегося уравнению (1), применительно к условиям сушки, в том числе для выявления гигроскопических характеристик материалов, высушиваемых в среде перегретого пара, желательно ввести параметр — степень насыщенности пара или, более кратко, насыщенность пара Ф, получаемую из соотношения

где рп — плотность перегретого пара, кг/м3; рн — плотность насыщенного пара при той же температуре, кг/м3; рп — давление перегретого пара; ря — давление насыщения при той же температуре.

Для перегретого пара барометрического давления, при t>99,6° С, применяемого в сушильных камерах, когда рп=1бар„ формула (3) примет вид: φ=1 /рн (здесь рн также в барах).

Температуру насыщения как функцию давления пара находят из табл. 1. Этот параметр справедлив для любого давления пара, вплоть до критического. На рис. 3, а показана графическая зависимость между температурой и давлением насыщенного пара (правая кривая φ=1,0), а также зависимость t(рп, φ) для перегретого пара, когда φ< 1,0, при давлениях рн≤0,1МПа (1 бар). Эта зависимость сохраняется и в присутствии воздуха, характеризующегося своим давлением. Например, в сушильных камерах, при t=90° С и φ = 1,0 выявлена величина рп = 0,07 МПа. Следовательно, давление воздуха рв будет соответствовать величине, недостающей до 0,1 МПа, т. е. будет составлять рв = 0,03 МПа (точка А на рис. 3, а); при t=60°С и φ =0,8 будет рп = 0,016 и рв = 0,084 МПа (точка В).

На рис. 3, б аналогичная зависимость t(рп, φ) показана для пара давлением выше барометрического. Изобарный процесс нагревания или охлаждения пара изобразится на этих диаграммах вертикальным отрезком.

Применительно к условиям сушки древесины перегретым паром барометрического давления графическая взаимозависимость между параметрами пара как сушильного агента изображена на рис. 3, в. На оси ординат нанесена температура пара. Отсчитывают: температуру перегрева 100°С), степень насыщенности φ, плотность ρ (кг/м3), удельный объем V= 1/ρ (м3/кг) и энтальпию перегрева t0 [кДж/кг (ккал/кг)].

Приближенную зависимость t(рн) для насыщенного пара в диапазоне температур 90—250° С можно принять по формуле Руша [5]:

Здесь рн выражено в килограмм-силе на квадратный сантиметр.

Подставляя в (4) значение рн из (3), получим для перегретого пара барометрического давления:

Отсюда:

Этому соотношению в диапазоне температур 100—150°С соответствует кривая φ(t) на диаграмме рис. 3, в. Из диаграммы видно, что состояние перегретого пара барометрического давления однозначно определяется температурой t и любым из следующих параметров: степенью насыщенности φ, энтальпией перегрева tо. плотностью рп или удельным объемом V. Величина температуры перегрева определится t—100°С (точнее 99,6°С). При добавке воздуха или уменьшении атмосферного давления ниже 0,1 МПа температура перегрева (при t=const) возрастает.