Глава 9. Динамический метод определения равновесной влажности материалов
В тепло- и массообменных процессах большое значение приобретают вопросы о форме связи влаги с материалом, количественная и качественная оценки связанной влаги. Одним из методов изучения форм связи влаги с материалом и оценки энергии этой связи является исследование изотерм сорбции и десорбции [1], которые являются также основой для расчета некоторых термодинамических параметров массопереноса [2]. Изотермы сорбции и десорбции определяют режимы хранения высушенных материалов из их равновесных характеристик. Для таких материалов равновесная влажность зависит от относительной влажности окружающего воздуха, его температуры и структуры материала. В силу большого разнообразия форм связи влаги с материалом и структур последних аналитически вычислить равновесную влажность не представляется возможным [3]. Поэтому равновесная влажность определяется экспериментально.;
Большинство из известных способов определения основано на гравиметрическом и тензиметрическом равновесии. Исследуемый материал помещают в атмосферу влажного воздуха постоянных параметров и выдерживают в нем до наступления равновесия.
Наибольшее распространение получил так называемый тензиметрический метод, состоящий в том, что образцы материала помещают в эксикаторы над растворами солей или кислот и выдерживают при постоянной температуре до наступления постоянного веса материала, которое фиксируется периодическим взвешиванием. При этом используется то свойство растворов солей и кислот, что определенной их концентрации соответствует определенная относительная влажность воздуха.
Наряду с простотой тензиметрический метод имеет большие недостатки. Так, длительность опытов по определению равновесного состояния для некоторых материалов достигает нескольких месяцев. Для многих пищевых продуктов этот метод вообще непригоден, так как при относительной влажности свыше 80% еще задолго до наступления равновесия продукт разрушается грибковой плесенью.
Из-за большой продолжительности непригоден этот метод н при направленных поисковых исследованиях. Поэтому в последнее время большое внимание уделяется поискам и созданию более совершенных и быстрых способов для определения равновесной влажности.Автором по схеме, предложенной профессором Г. К. Фило-ненко, разработана и построена универсальная установка для получения изотерм сорбции — десорбции в широком диапазоне изменения влажности. Применение этой установки для определения равновесной влажности в процессах сорбции или десорбции позволяет получать последние ускоренным динамическим методом. В результате длительность опытов сокращается до 5—10 час. При этом можно проводить режимные измерения с более высокой точностью, чем при использовании растворов солей и кислот, и погрешность опытов уменьшается.
Установка обеспечивает работу в режимах 287—363 °К и относительной влажности 10—100% при скоростях воздуха в рабочем канале до 5 м/сек.
В варианте для определения равновесной влажности установка выполнена на девяти параллельно работающих каналах, каждый из которых может настраиваться на любой режим. Это позволяет вести опыт одновременно на девяти режимах и, следовательно, получить полную изотерму сорбции или десорбции из одного опыта.
Принципиальная схема канала установки представлена на рис. 1. Очищенный воздух из воздушного ресивера I подается в барботер 2. Проходя через слой воды сквозь мелкую сетку, воздух увлажняется. Максимальное увлажнение при этом составляет 95—97%-
При помощи электроподогревателя 3, автотрансформатора 4 и контактного термометра 6 в барботере устанавливается и поддерживается постоянной необходимая температура предварительного насыщения.
Из барботера 2 воздух с относительной влажностью 95— 97% попадает в конденсатор 7. Охлаждаясь в конденсаторе на 5—10°, воздух становится насыщенным. При охлаждений возможно выпадение мелких капель. Для их отделения воздух подается в циклон 8, в котором капли отделяются и возвращаются по трубке 12 в барботер. В результате на выходе из циклона воздух при постоянной температуре насыщения имеет влажность, равную 100%. Из циклона 8 воздух подается в теплообменник 9. Подогревая воздух до нужной температуры, ложно изменять его относительную влажность, так как
— относительная влажность воздуха в %;— давление насыщенных водяных паров при температуре насыщения температура на выходе из циклона 8;—давлениенасыщенных водяных паров при температуре подогрева—температура в рабочей камере после теплообменника 9.
Необходимая температура насыщения устанавливается с помощью термостата.
Исследуемый материал помещается в термостатированной рабочей камере 10 в бюксе с перфорированным дном и продувается воздухом с фиксированной влажностью и температурой до наступления равновесия. Последнее устанавливается по достижении постоянного веса, который определяется периодическим взвешиванием на аналитических весах. Для мелких сыпучих материалов воздух в специальных бюксах проходит над материалом, что исключает вынос его.
Устанавливая различные температуры насыщения и подогрева, можно изменять относительную влажность воздуха в рабочем канале в широком диапазоне.
Настройка канала производится в следующей последовательности:
1) с помощью термостата // в рабочей камере 10 устанавливается температура, при которой определяется равновесие, -
2) с помощью низкотемпературного термостата 5 и конденсатора 7 устанавливается температура насыщения на выходе из циклона 8.
Температураопределяется по заданнымииз соотношения (1). Для удобства, эти значения рассчитываются предварительно для разных температури относительной влажности воздуха с интервалом 10% и сводятся в таблицу. По данным этой таблицы и настраивается каждый раз установка.На установке производятся измерения:
1) температуры в точках 13 и 14 потенциометром ППТН-1 и медно-константановыми термопарами, что позволяет проводить измерения с точностью до 0,1°;
2) скорости воздуха — любым известным методом (ввиду малых размеров канала применялся специальный электроанемометр).
Таким образом, психрометрические измерения сведены фактически к измерениям температур, что гораздо проще и доступней. Это стало возможным потому, что благодаря примененной схеме на выходе из циклона получается воздух с двумя неизвестными параметрами, что и позволяет производить перерасчет влажности при подогреве.
Как указывалось выше, для определения равновесной влажности в установке имеется девять каналов. Для параллельной их работы от общих термостатов предусмотрены коллекторные и разветвляющие устройства.
На рис. 2 приведены изотермы десорбции картофельных крекеров и яблок, снятые на описанной выше установке. Длительность опытов по определению равновесной влажности для этих продуктов не превышала 8 час. Как видно и.з рис. 2, разброс точек практически отсутствует.
Установка может широко использоваться в лабораторной практике для исследования равновесной влажности различных коллоидных капиллярнопористых материалов.