Глава 03. Тепло- и массообмен в процессе сушки

При сушке влажных материалов происходят одновременно два процесса: испарение влаги (массообмен) и перенос тепла (тепло­обмен). Теплообмен, осложненный массообменом, имеет специфи­ческие особенности по сравнению с чистым теплообменом.

Проблема сушки влажных материалов включает вопросы пере­носа тепла и массы внутри тела (внутренняя задача) и в погранич­ном слое на границе раздела фаз (внешняя задача). Результирую­щая интенсивность сушки зависит от условий переноса тепла и массы внутри тела и на границе раздела фаз. Интенсивность сушки максимальна, когда возможность переноса тепла и массы в пограничном слое соответствует возможности перемещения влаги и тепла внутри тела.

Как будет показано ниже, в одних случаях на интенсивность сушки влияют внешние условия тепла и массы (тонкодисперсные продукты), в других — условия переноса влаги и тепла внутри тела (малые коэффициенты диффузии или влагопроводности и др.). Кроме того, в отдельных случаях можно рассчитывать интенсив­ность испарения, исходя из плотности теплового потока. Таким об­разом, в сушильной технике часто пользуются уравнениями теплообмена между телом и газом, выведенными применительно к задачам без массообмена, внося в эти уравнения соответствующие поправки.

 Внешний тепло- и массообмен.

Передача тепла к высушиваемому телу может осуществляться тремя путями: конвекцией, лучеиспусканием и теплопроводностью(кондукцией).
Конвективный теплообмен наблюдается при омывании тела жидкостью (или газом), имеющей температуру, отличную от темпе­ратуры тела.
Уравнение теплообмена в стационарных условиях имеет вид:

Коэффициент теплообмена зависит от гидродинамических усло­вий обтекания тела жидкостью, от свойств жидкости и т. д.

При передаче тепла конвекцией поток энергии направлен пер­пендикулярно потоку жидкости, причем скорость жидкости в одном и том же сечении, перпендикулярном поверхности теплообмена, неодинакова. Поэтому тепловой поток зависит от характера потока жидкости.

Если внутренним трением между слоями жидкости пренебре­гают, то разница скоростей движения соседних слоев жидкости не вызывает появления в потоке завихрений (ламинарное течение), и механизм передачи тепла сводится к молекулярному переносу тепла (теплопроводность) в пограничном слое.

При высоких скоростях появляется завихрение струи жидкости (турбулентное течение), приводящее к дополнительному потоку тепла. Таким образом, различают теплообмен между движущейся жидкостью и телом в области турбулентного режима и ламинарного потока жидкости.

По характеру действия внешних сил, вызывающих движение жидкости, различают потоки, возникающие из-за разности давле­ний (вынужденное движение) и из-за разности плотностей жидкости с различной температурой при постоянном давлении (свободное движение, или естественная конвекция). Передача тепла от жидкости к телу может происходить с незначительными измене­ниями параметров среды (например, при теплоообмене между газо­вым потоком и твердой частицей) либо со значительными измене­ниями параметров среды и небольшими изменениями параметров твердого тела (например, при передаче тепла от газа, протекающего внутри трубы, к металлической стенке трубы).

Существует понятие локальных и средних коэффициентов тепло­обмена. Мы будем пользоваться только средними по поверхности раздела значениями коэффициента теплообмена.

Условия переноса тепла от жидкости к телу описываются сис­темами дифференциальных уравнений, которые не всегда могут быть решены применительно к конкретным условиям теплообмена. В этом случае приходится экспериментально изучать условия теплообмена между телом и жидкостью в зависимости от различных переменных факторов. Для обобщения экспериментальных данных пользуются теорией подобия [19].

Основные критерии выводятся на основании системы дифферен­циальных уравнений и краевых условий, описывающих данное яв­ление. Для подобия явлений необходимо геометрическое подобие тел, подобие их физической структуры, начальных состояний и условий на поверхности взаимодействия тела с окружающей средой.

В приведенных ниже критериях подобия приняты следующие обозначения:

и — скорость потока жидкости (газа), м/сек;

I — характерный размер тела, м;