Изучение процесса конвективной сушки
Казанский
Национальный Исследовательский Технологический Университет
Кафедра:
«Процессы и аппараты химической технологии»
Лабораторная
работа №2
«Изучение
процесса конвективной сушки»
Выполнил: маг. гр.
534-М2
Карякин М.Е.
Проверил: профессор
Мухутдинов Э.А.
Казань,
2015г
Теоретическое введение
В качестве сушильного агента чаще всего
используется нагретый воздух. Влажный воздух является смесью абсолютно сухого
воздуха и перегретого водяного пара (если влагой является вода). Для технических
расчетов допускают, что эта смесь подчиняется законам идеальных газов и паров и
характеризуется следующими параметрами: абсолютной и относительной влажностью,
влагосодержанием (паросодержанием) и энтальпией (теплосодержанием).
Согласно закону Дальтона:
р = pсв + pп, (1)
где р - полное давление влажного воздуха, Па;
pсв, pп - парциальные давления абсолютного сухого воздуха и водяного пара.
Абсолютная влажность воздуха равна массе пара,
содержащегося в 1м3 воздуха, или плотности пара ρп
(кг/м3) при температуре и давлении воздуха.
Относительная влажность воздуха φ
представляет
собой отношение массы водяного пара в 1 м3 влажного воздуха ρп
при данных условиях (температуре и общем давлении p) к максимально возможной
массе пара в 1 м3 воздуха ρн
(плотность насыщенного пара) при тех же условиях:
(2)
Влагосодержание х - это отношение массы водяного
пара mп (кг), содержащегося в данном объеме влажного воздуха, к массе сухого
воздуха mсв (кг), находящегося в том же объеме:
(3)
где ρсв
- плотность абсолютно сухого воздуха кг/м3.
Удаление влаги из материала при сушке зависит от
связи влаги с материалом. При сушке эта связь нарушается. Влагу подразделяют на
свободную и связанную. Под свободной понимают влагу, скорость испарения которой
из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности. При
наличии в материале свободной влаги рн= рм , где рм - парциальное давление пара
непосредственно над материалом; рн - давление насыщенного пара над свободной
поверхностью. Под связанной понимают влагу, скорость испарения которой меньше
скорости испарения воды со свободной поверхности (рм < рн).
Если материал находится в контакте с влажным
воздухом, то принципиально возможны два процесса: сушка (десорбция влаги из
материала) при рм > рп, где рп - парциальное давление паров влаги в воздухе,
и увлажнение (сорбция влаги материалом) при рм < рп .
В процессе сушки рм уменьшается и приближается к
пределу рм= рп. При этом наступает состояние динамического равновесия, которому
соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью
wр.
Кинетика сушки характеризуется изменением во
времени средней влажности материала и определяется формой связи влаги с
материалом, размером частиц материала, параметрами сушильного агента и
скоростью его движения, конструкцией сушилки.
Для расчета сушилок необходимо знать скорость
сушки, определяемую как изменение влажности материала в единицу времени.
Рис.1- Схема конвективной сушилки:
-вентилятор, 2-калорифер, 3-трубопровод,
4-ротаметр, 5-сушильная камера, 6-высушиваемый материал, 7-весы, 8-термометр
Цели работы
. Построение кривой сушки. Определение скорости
сушки и построение кривой скорости сушки.
. Cопоставление расчетного и опытного значений
коэффициента массоотдачи.
Порядок выполнения
1. Включить установку.
. Установить заданный расход воздуха, Vɺ ,
м 3/с.
. Включить нагреватели, установить заданную
температуру опыта.
. Обмерить и взвесить сухой образец, для чего
предварительно определить показание весов с материалом Мc + МД и без него. МД -
масса держателя.
. Увлажнить образец водой, смочив его
приблизительно 20 г воды, поместить в сушильную камеру, увлажненный образец
взвесить.
. Через равные промежутки времени (3 мин)
производить взвешивание материала. Опыт закончить после того, как прекратится
убыль влаги. Во избежание ошибки взвешивания материала необходимо построить
зависимость М - t, провести через опытные точки сглаживающую линию и заносить в
табл.1 изменения массы материала во времени.
. Определить по психрометру и записать
температуры мокрого Т0 м и сухого Тс термометров, величину относительной
влажности окружающего воздуха φ0.
Таблица 1. Опытные данные.
№
пп
|
Измеренные
величины
|
Рассчитанные
величины
|
|
Текущее
время t, с
|
Интервал
времени Δt, с
|
Показания
весов М, кг
|
Содержание
влаги в материале Мвл=М-Мс-Мд
|
Влажность
материала
|
Изменение
влажности материала Δw за Δt
|
Скорость
сушки
|
1
|
5
|
5
|
15,5
|
9,5
|
1,583333
|
-
|
|
2
|
10
|
5
|
15,4
|
9,4
|
1,5667
|
0,0133
|
|
3
|
15
|
5
|
15,4
|
9,4
|
1,5667
|
|
4
|
20
|
5
|
15,4
|
9,4
|
1,5667
|
0
|
|
5
|
30
|
10
|
15,4
|
9,4
|
1,5667
|
0
|
|
6
|
40
|
10
|
15,4
|
9,4
|
1,5667
|
0
|
|
7
|
60
|
20
|
15,4
|
9,4
|
1,5667
|
0
|
|
8
|
80
|
20
|
15,3
|
9,3
|
1,55
|
0,0167
|
|
9
|
110
|
30
|
15,2
|
9,2
|
1,53
|
0,02
|
|
10
|
140
|
30
|
15,2
|
9,2
|
1,53
|
0
|
|
11
|
170
|
30
|
15,1
|
9,1
|
1,51667
|
0,01333
|
|
12
|
200
|
30
|
15,0
|
9,0
|
1,5
|
0,01667
|
|
13
|
230
|
30
|
14,9
|
8,9
|
1,48334
|
0,01666
|
260
|
30
|
14,8
|
8,8
|
1,46667
|
0,01667
|
|
15
|
320
|
60
|
14,6
|
8,6
|
1,43334
|
0,0333
|
|
16
|
380
|
60
|
14,3
|
8,3
|
1,38333
|
0,05
|
|
17
|
440
|
60
|
14,1
|
8,1
|
1,35
|
0,0333
|
|
18
|
500
|
60
|
13,8
|
7,8
|
1,3
|
0,05
|
|
19
|
560
|
60
|
13,5
|
7,5
|
1,25
|
0,05
|
|
20
|
620
|
60
|
13,2
|
7,2
|
1,2
|
0,05
|
|
21
|
740
|
120
|
12,6
|
6,6
|
1,1
|
0,01
|
|
22
|
860
|
120
|
11,9
|
5,9
|
0,9833
|
0,1167
|
|
23
|
980
|
120
|
11,3
|
5,3
|
0,88333
|
0,0997
|
|
24
|
120
|
10,7
|
4,7
|
0,7833
|
0,1
|
|
25
|
1280
|
180
|
9,7
|
3,7
|
0,61667
|
0,16663
|
|
26
|
1460
|
180
|
8,6
|
2,6
|
0,43333
|
0,18334
|
|
27
|
1640
|
180
|
7,7
|
1,7
|
0,28333
|
0,15
|
|
28
|
1820
|
180
|
6,9
|
0,9
|
0,15
|
0,1333
|
|
29
|
2000
|
180
|
6,2
|
0,2
|
0,03333
|
0,11667
|
|
30
|
2180
|
180
|
6
|
0
|
0
|
0,0333
|
|
Кривую скорости сушки (зависимость скорости
сушки от влажности материала) получают на основе экспериментальных данных об
изменении средней влажности всего материала w во времени (рис.2)
Рис.2 - Кривая сушки влажного
материала.
Кривую скорости сушки (рис.3)
находят путем графического дифференцирования кривой сушки или разбивкой ее на
равные по времени участки с последующим делением величины убыли влажности
материала на этих отрезках на длительность.
Рис.3 - Кривая скорости сушки
Обработка результатов.
Определение критерия Рейнольдса:
где ρ = 0,50735 -
плотность воздуха при 70°С, кг/м3; L = 0,204 - длина поверхности испарения по
направлению движения воздуха, м; µ = 20,4×10-6 -
динамический коэффициент вязкости воздуха, Па·с; w - скорость обдува материала
воздухом, м/c, определяется следующим образом:
конвективный
сушка массоотдача
V = 69×10-4
м3/c - расход воздуха; a = 0,08 м - ширина камеры; h = 0,17 м - высота камеры.
Определение критерия Прандтля:
где D = 0,29×10-4
- коэффициент диффузии пара в воздух при 70°С, м2/с
Определение критерия Нуссельта:
Определение коэффициента массоотдачи (расчетное
значение):
Определение интенсивности испарения влаги:
где МС = 0,006 - масса сухого образца, кг; NСР =
0,000882 - среднее значение скорости сушки в первом периоде (рис.3), 1/c; F -
поверхность испарения материала, м2.
R = 8314 - универсальная газовая постоянная,
Дж/кмоль·К; Мп = 18 - мольная масса водяного пара, кг/кмоль; pн
= 0,214×104 - давление насыщенного пара при
18°С, Па; рп = 0,13696×104 -
парциальное давление паров влаги в окружающем воздухе, Па.
Полученные данные заносим в таблицу 2.
Таблица 2. Результаты опыта и расчета для
первого периода сушки.
Расчетные
критерии
|
NCP1,
c-1
|
j,
кг /(м2с)
|
Значения
коэффициентов массоотдачи βг,
м/с
|
Re
|
Prг’
|
Nuг’
|
|
|
расчет
|
опыт
|
5225,705
|
9,423
|
231,035
|
0,000882
|
2,561×10-4
|
0,0328
|
0,0527
|
Вывод: По полученным экспериментальным данным
были определены скорость сушки, расчетное и опытное значения коэффициента
массоотдачи. Построена кривая скорости сушки. Как видно из таблицы 2, опытное
значение коэффициента массоотдачи больше расчетного в 1,6 раза.