Внешний тепло- и массообмен в процессах сушки и ТВО.

ТВО: Внешний тепло- и массообмен при непосредственном соприкосновении насыщенного пара с мат-лом

Внешний тепло- и массообмен определяет условия взаимодействия насыщенного пара, который подается в установку, и изделия, подвергаемого ТВО. От условий взаимодействия насыщенного пара с изделием зависит скорость нагрева изделия и степень его увлажнения с поверхности, а также tное поле в установке для ТВО изделий.

Схема ТВО Ба: 1-ТУ, 2-изделие

Cхема нагрева мат-ла паром

а) — давление в установке; б) — tа в установке; d — толщина пленки конденсата на поверхности; Р’п и Р”п - парциальное давление пара в установке и у поверхности пленки конденсата; Р’в и Р”в - парциальное давление воздуха в установке и у поверхности пленки конденсата; tпс -tа паровоздушной смеси; tж — tа пленки конденсата, обращенной к установке; tпм — tа поверхности мат-ла.

Внешний тепло- и массообмен при нагреве мат-ла. До поступления пара в установке находился воздух, поэто­му давление в ней, если она не полностью герметична, будет равно атмосферному. Подадим пар в установ­ку (условие неполной герметичности сохраняется). В этом случае общее давление в установке по-прежне­му должно быть равно атмосферному и будет складываться из парциального давления водя­ного пара и парциального давления воздуха = 0,1 МПа (Ру =Рп’+Рв’=0,1 МПа). Поступающий пар, попадая па более холодную по­верхность мат-ла, конденсируется. В силу смачива­ния поверхности на ней образуется пленка конденсата толщиной d, поверхность нагревается и ее tа tпм возрастает, стремится к tе паровоздушной смеси tпвс. Вместе с паром к поверхности, где он кон­денсируется, поступает воздух. Парциальное давление пара у этой поверхности снижается до Рп” при общем неизменном давлении в установке. Парциальное давле­ние воздуха здесь возрастает до Рв”. Это можно описать уравнением: Ру = Рп”+Рв”=Рп’+Рв’. При этом Рп”<Рп’, а Рв”>Рв’. В соответствии с парциаль­ным давлением пара Рп” на поверхности мат-ла на стороне пленки, обращенной к паровоздушной смеси, будет tа tж, приближающаяся к tе насыщения tн при парциальном давлении пара Рп”. При толщине пленки конденсата d на пов-ти мат-ла удельный поток теплоты q_Т к мат-лу будет равен q_Т = lв(tж-tпм)/d, где lв – теплопр-ть водяной пленки, tпм – темп-ра пов-ти мат-ла в коор-те времени. Необходимо отметить, что пленка конденсата на по­верхности мат-ла резко снижает коэф-т теп­лоотдачи а, следовательно, и удельный поток теплоты к мат-лу от паровоздушной смеси. За все время нагре­ва мат-ла паром удельный поток массы пара, кон­денсирующегося на поверхности, опр-ся по ф-ле Марьямова: q_П = bm(Рп’-Рп”), где bm – коэф-т массообмена при конденсации, Рп’ – водяного пара в уст-ку, Рп” - у пов-ти изделия. Тепловой поток, согласно теории теплопередачи, должен скла­дываться из теплоты парообразования, отдаваемой мат-лу паром при его конденсации, и теплоты, отдава­емой мат-лу средой, вследствие разности t между паровоздушной смесью и пленкой конденсата.

Теплота, отдаваемая паром при конденсации q_ТП, может быть подсчитана как произведение теплоты паро­образования r на удельную массу конденсирующего па­ра q_П: q_ТП = rq_п = rbm(Рп’-Рп”). Дополнительный перенос теплоты от паровоздушной смеси к пленке конденсата - удельный поток q_{Т СР} = aсм( пс-tж), где aсм – коэф-т теплоотдачи от ПВС к пов-ти пленки конденсата, пс – ср-яя тем-ра ПВС, tж – тем-ра пленки конденсата, обращенная к ПВС.

Внешний тепло- и массообмен в период из. выдержки.Из. выдержка начинается с момента достижения поверхностью мат-ла tы паровоздушной среды в установке. В это время центральные слои мат-ла продолжают еще кое-какое-то время нагреваться за счет тепловой энергии конденсирующегося на изделии пара. Сама установка тоже за счет потерь в окружающую среду требует под­вода тепла, равного потерянному кол-ву тепловой энергии. Однако вследствие экзотермии Ца внут­ренние слои изделия приобретают tу, не­сколько превышающую tу паровоздушной среды установки (на 2 - 5°С), и с поверхности мат-ла начинает испаряться влага. За счет расхода тепловой энергии на поверхности удержи­вается tа, равная tе паровоздушной среды установки. К концу изотермической выдержки пленка конденсата с поверхности мат-ла полностью испаряется, а сам мат-л теряет значительное кол-во влаги. По данным Малининой, Марьямова оличество влаги, набранной мат-лом в период подогрева, оценивается в 2-3 % от во­ды затворения Ба, а кол-во потерянной в период изотермической выдержки - в 1,0-1,5%, считая от воды затворения. Следовательно, в начале изотермичес­кой выдержки происходит еще конденсация подводимо­го пара и на изделии, и на поверхностях установки. В остальное, значительно большее время изотермической выдержки, испаряется влага с поверхности изделия, на что расходуется кроме теплоты экзотермии Ца и теплота пара. Кроме того, тепловая энергия пара вос­полняет потери тепла в окружающую установку среду. В период из.выд. тепло к пов-ти изделия передается за счет q_ТП и q_Т. Удельный поток массы-влаги q_ИВ испаряемой с по­верхности в период изотермической выдержки, находят по формуле: q_ИВ= am(Рп”- Рп’)Во/В', где где am - коэф-т массообмена при испарении; В₀ — барометрическое давление при нормальных физиче­ских условиях; В' — барометрическое давление, существующее в установке. Удельная теплота q_ТИ, затрачиваемая на испарение, может быть подсчитана, как произведение теплоты парообразования r на удельную массу испаряемой влаги q_ИВ: q_ТИ = rq_ИВ.

Схема ТВО Ба: 1 - установка; 2 - мат-л; tцм, Uцм и tпм, Uпм- соответственно tы и влагосод-ние в центре и на поверхности мат-ла, В —подача воздуха; О.В - отбор отработанного воздуха; К - отбор конденсата.

Схема охлаждения мат-ла воздухом: 2 — мат-л; tу - tа ПВС. Внешний тепло- и массообмен в период охлаж­дения. В начале периода охлаждения прекращается подача пара в уста- новку. Вместо пара в нее подают воздух из окружа­ющей среды, который, охлаждая мат-л, нагревается сам. При нагреве уменьшается его относительная влаж­ность. За счет этого воздух ассимилирует значительно большее кол-во влаги с поверхности мат-ла, стен и крышки установки и при j»100 % отработанный воз­дух удаляется из установки. При испарении влаги с поверхности мат-ла ее tа понижается и происходит охлаждение. В установке понижается парциальное дав­ление водяного пара. При неполной герметичности установки об­щее давление в ней остается равным атмосферному. За счет вентиляции в самой установке парциальное дав­ление пара резко снижается и становится меньше, чем парциальное давление пара у поверхности мат-ла. Появляется разность парциальных давлений, а следовательно, и разность потенциа­лов, которая заставляет влагу испаряться с поверхности мат-ла. Tа поверхности мат-ла на­чинает снижаться и стремится к tе установ­ки, которая тоже снижается. Одновременно снижается и влагосод-ние поверхности мат-ла. Общее кол-во влаги, испаряющееся во время охлаждения, по данным исследований, составляет ~5% воды затворения.

Сушка: Внешний тепло- и массообмен при сушке. Суш­ка стр-ных изделий и мат-лов обычно ведется при невысоких tах порядка 100 — 200°С, при которых доминирует конвективный теплообмен между сушильным агентом и мат-лом. Поэтому в стр-ной индустрии применяют конвективные сушильные уста­новки. При конвективном теплообмене поток теплоты q от сушильного агента к мат-лу можно определить по формуле

где a - коэф-т теплоотдачи от сушильного агента к мат-лу; - средняя tа сушильного агента в установке; - средняя tа поверхности мат-ла в процессе сушки. Коэф-т теплоотдачи зависит от аэродинамиче­ских условий обтекания мат-ла сушильным агентом, от свойств сушильного агента, от удельной поверхности мат-ла, с которой происходит испарение, характера движения сушильного агента и целого ряда других фак­торов. Критерий Фурье (Fо) характеризует связь между ско­ростью изменения tы и определяющим разме­ром подвергаемых тепловой обработке тел:

Fo= t/L² где а — tопроводность; t— время; L — определяющий размер. Связь между теплоотдачей на поверхности тела и пе­редачей теплоты теплопроводностью внутри мат-ла описывается критерием Био (Вi): Bi= aL/l, где l - теплопроводность. В процессе сушки величина dU/dt — отрицательна, поэтому скорость нагрева и скорость сушки при сумми­ровании считают по их абсолютным значениям. К пов-ти из внеш-х слоев родхлдит влага. Поток влаги qт, ассимилирующейся окружающей средой, с ед-цы пов-ти опи­сывается формулой Дальтона, устанавливающей связь между физическими параметрами, влияющими на ско­рость испарения:

где am— коэф-т массообмена; р'_пн — парциальное давление водяных паров на поверхности мат-ла; Р'_са—парциальное дав­ление водяных паров сушильного агента; В — барометрнческ давление при нормальных физических условиях; В' - существующее барометрическое давление.