1.5. Процессы изменения состояния сушильного агента в конвективных сушилках

1.5. Процессы изменения состояния сушильного агента
в конвективных сушилках
Газообразный сушильный агент в процессе сушки древесины
претерпевает ряд изменений своего состояния. Характер этих
изменений зависит от принципиальной схемы сушилки, которая, в
свою очередь, определяется видом сушильного агента и кратностью
его циркуляции. С учетом этих признаков различают воздушные и
газовые сушилки с однократной циркуляцией сушильного агента,
воздушные и газовые сушилки с многократной циркуляцией, паровые
сушилки. Вариантом воздушной сушилки с многократной
циркуляцией является эжекционная сушилка.
Принципиальные схемы воздушных сушилок представлены
на рис. 1.7.
Наиболее простой является схема воздушной сушилки с
однократной циркуляцией (рис. 1.7, а). Согласно этой схеме,
атмосферный воздух состояния 0 поступает в калорифер. Здесь он
нагревается, приобретая состояние 1. Нагретый воздух вступает в
контакт с высушиваемым материалом и, испаряя из него влагу, вновь
изменяет свои параметры. Отработавший воздух в состоянии 2
полностью удаляется в атмосферу.
Рис. 1.7. Принципиальные схемы воздушных сушилок с однократной (а),
многократной (б) циркуляцией и эжекционной сушилки (в):
I – калорифер; II – высушиваемый материал; III – вентилятор; IV – эжектор
1
Принципиальная схема воздушной сушилки с многократной
циркуляцией отличается от уже рассмотренной тем, что
отработавший сушильный агент в состоянии 2 удаляется в атмосферу
лишь частично. Большая его часть возвращается на повторное
использование и перед поступлением в калорифер смешивается со
свежим воздухом состояния 0, подаваемым в сушилку. Образующаяся
смесь, характеризуемая состоянием 3, поступает в калорифер, где за
счет нагревания достигает состояния 1. Далее следует сушка,
сопровождающаяся изменением параметров воздуха до состояния 2.
Принципиальная схема эжекционной сушилки отличается от
схемы с многократной циркуляцией тем, что сушильный агент
образуется в результате двукратного смешивания. Сначала
отработавший сушильный агент, находящийся в состоянии 2,
смешивается в вентиляторе с атмосферным воздухом. Образующаяся
при этом смесь состояния 3 поступает в эжектор, где происходит
вторичное смешивание с отработавшим воздухом. При этом
получается новая смесь, характеризуемая состоянием 4, которая после
нагревания в калорифере и выполняет функцию агента сушки.
Процессы изменения состояния воздуха в описанных сушилках
могут быть проиллюстрированы на Id-диаграмме, что и сделано на
рис. 1.8.
2
Рис. 1.8. Изображение на Id-диаграмме процессов изменения состояния
воздуха в сушилках с однократной (а), многократной (б)
циркуляцией и в эжекционной (в) сушилке
В сушилке с однократной циркуляцией (рис. 1.8, а) процесс
нагревания атмосферного воздуха в калорифере изображается
отрезком 0–1, расположенным на линии d = const. При сушке, т. е. при
испарении влаги из материала, состояние воздуха изменяется по
линии постоянной энтальпии 1–2.
Изменение состояния воздуха в сушилке с многократной
циркуляцией показано на рис. 1.8, б. Смешивание атмосферного
воздуха (состояние 0) и отработавшего сушильного агента (состояние
2) с получением смеси, характеризуемой состоянием 3, отображается
отрезком 0–3–2. Процессы нагревания воздуха в калорифере (3–1) и
испарения влаги из материала (1–2) изображаются так же, как и в
сушилке с однократной циркуляцией: по линиям d = const и I = const
соответ-ственно.
График изменения состояния сушильного агента в эжекционной
сушилке показан на рис. 1.8, в. Воздух, поступающий в калорифер в
состоянии 4, получается в результате двух последовательных
смешиваний. Сначала отработавший воздух, характеризуемый точкой
2 на Id-диаграмме, смешивается с атмосферным воздухом (точка 0) с
получением смеси, состояние которой соответствует точке 3.
Образовавшаяся после первого смешивания смесь вновь смешивается
с отработавшим воздухом, что и приводит к получению агента сушки,
который имеет перед калорифером состояние 4. Далее следует уже
3
знакомое нам нагревание (отрезок 4–1) и испарение влаги (отрезок 1–
2).
По изменению состояния сушильного агента во время сушки
могут быть определены затраты тепловой энергии на испарение влаги.
Расход теплоты на испарение 1 кг влаги, т. е. удельный расход
теплоты для воздушных сушилок, определяется по формуле
1000  ( I 2  I 0 )
, кДж/кг,
qèñï 
(1.41)
d 2  d0
где I2 и d2 – энтальпия и влагосодержание отработавшего воздуха,
кДж/кг и г/кг соответственно; I0 и d0 – энтальпия и влагосодержание
атмосферного воздуха, кДж/кг и г/кг соответственно.
Удельный расход теплоты на испарение влаги легко определить
графически с помощью Id-диаграммы. Для этого из начала координат
диаграммы проводят луч, параллельный линии, проходящей через
точки 0 и 2, соответствующие состояниям атмосферного и
отработавшего воздуха. Удельный расход теплоты читается на
угловой шкале, нанесенной на полях Id-диаграммы.
Принципиальные схемы газовых сушилок показаны на рис. 1.9.
Особенностью газовых сушилок является отсутствие калориферов.
Источник теплоты у них – топочный газ, который образуется при
сжигании топлива в топках.
В газовой сушилке с однократной циркуляцией (рис. 1.9, а)
топочный газ, выходящий из топки в состоянии Т, смешивается с
атмосферным воздухом состояния 0. При этом образуется смесь,
характеризуемая состоянием 1, которая и вступает в контакт с
высушиваемым материалом. В результате испарения влаги
сушильный агент переходит в состояние 2. Отработавшая смесь
топочного газа и воздуха полностью выбрасывается в атмосферу.
4
Рис. 1.9. Принципиальные схемы газовых сушилок с однократной (а)
и многократной (б) циркуляцией: I – топка; II – высушиваемый материал;
III – камера смешения
Газовая сушилка с многократной циркуляцией (рис. 1.9, б)
отличается от предыдущей тем, что дополнительно включает камеру
смешения. В камере смешиваются три компонента: атмосферный
воздух (состояние 0), топочный газ, образовавшийся в топке
(состояние Т), и отработавший сушильный агент, находящийся в
состоянии 2. В результате этого процесса и получается сушильный
агент, параметры которого соответствуют состоянию 1. При
испарении влаги из материала он переходит в состояние 2. Часть
отработавшего сушильного агента удаляется в атмосферу, а остальное
его количество направляется на рециркуляцию в камеру смешения.
Графики процессов изменения состояния топочного газа в
газовых сушилках на Id-диаграмме показаны на рис. 1.10. Процесс
смешивания топочного газа (состояние Т) и атмосферного воздуха
(состояние 0) изображается отрезком прямой 0–Т, на котором лежит
точка 1, соответствующая параметрам получаемого агента сушки
(рис. 1.10, а). Контактируя с высушиваемым материалом, сушильный
агент испаряет влагу, изменяя при этом свое состояние по линии 1–2.
5
Рис. 1.10. Изображение на Id-диаграмме процессов изменения состояния
топочного газа в сушилках с однократной (а) и многократной (б) циркуляцией
Процесс одновременного смешивания трех компонентов в
сушилке с многократной циркуляцией (рис. 1.10, б) можно
рассматривать как два последовательных процесса. Вначале топочный
газ (состояние Т) смешивается с атмосферным воздухом (состояние
0), образуя промежуточную, на самом деле не существующую смесь
состояния А. Этот процесс изображается на Id-диаграмме линией
0–А–Т. Затем к полученной промежуточной смеси (состояние А)
добавляется отработавший сушильный агент (состояние 2). В
результате образуется газовоздушная смесь, имеющая состояние 1,
которая и является сушильным агентом, направляемым к материалу.
Удельный расход теплоты на испарение влаги в газовых
сушилках с однократной и многократной циркуляцией выражается
фор-мулами
1000  ( I1  I 0 )
, кДж/кг;
qèñï 
(1.42)
d 2  d1
1000  ( I À  I 0 )
qèñï 
, кДж/кг,
(1.43)
d2  dÀ
где I1 и d1 – энтальпия и влагосодержание сушильного агента на входе
в зону сушки в сушилках с однократной циркуляцией, кДж/кг и г/кг
соответственно; IA и dA – энтальпия и влагосодержание газовой смеси
6
состояния А в сушилках с многократной циркуляцией, кДж/кг и г/кг
соответственно.
Примеры
Пример № 25. Температура воздуха, нагретого в калорифере
сушилки с однократной циркуляцией перед его поступлением в зону
сушки, составляет t1 = 1200С, а парциальное давление водяного пара –
pп1 = 4500 Па. Определить удельный расход теплоты на испарение
влаги, если известно, что температура на входе в сушилку составляет
t0 = 320С, а на выходе из нее – t2 = 900C.
Решение. Рассчитываем влагосодержание и энтальпию воздуха
после калорифера. Для этого используем формулы (1.14) и (1.23):
622  4500
d1 
 29,3 г/кг;
100 000  4500
I1  1,01  120  0,001  29,3  (1,88  120  2500)  201,1 кДж/кг.
Процесс нагревания воздуха в калорифере проходит без
изменения его влагосодержания: d0 = d1 = 29,3 г/кг, а испарение влаги
из
материала
–
при
постоянном
значении
энтальпии:
I2 = I1 = 201,1 кДж/кг. С учетом этого рассчитываем энтальпию
воздуха, поступающего в сушилку, по формуле (1.23) и
влагосодержание отработавшего воздуха по формуле (1.25):
I0 = 1,0132 + 0,00129,3(1,8832 + 2500) = 107,3 кДж/кг;
201,1  1,01  90
d2 
 41,3 г/кг.
2,5  0,00188  90
По формуле (1.41) определяем удельный расход теплоты на
испарение влаги:
1000  (201,1  107,3)
qèñï 
 7816,7 кДж/кг.
41,3  29,3
Ответ: qисп = 7816,7 кДж/кг.
Пример № 26. Топочный газ поступает в газовую сушилку с
однократной циркуляцией в количестве Мт = 10 кг/с, имея
температуру tт = 7000С и влагосодержание dт = 220 г/кг. Он
смешивается с М0 = 12 кг/с атмосферного воздуха, температура
которого t0 = 150С, а влагосодержание d0 = 6 г/кг. Температура
отработавшего сушильного агента t2 = 1200С. Определить удельный
расход
теплоты
на
испаре7
ние влаги.
Решение. По формуле (1.23) определяем энтальпию
атмосферного воздуха
I 0  1,01  15  0,001  6  (1,88  15  2500)  30,3 кДж/кг.
По табл. 3 приложения для диапазона температуры
от 0 до 7000С определяем теплоемкость воздуха и пара
св = 1,0694 кДж/(кгК); сп = 2,0670 кДж/(кгК).
Применив формулу (1.26), определяем энтальпию топочного газа:
I ò  1,0694  700  0,001  220  (2,0670  700  2501)  1617,1 кДж/кг.
По формуле (1.34) определяем коэффициент пропорции смеси:
Ì
12
n  0   1,2 .
Ì ò 10
Используя формулы (1.35) и (1.36), находим энтальпию и
влагосодержание рабочей газовой смеси:
I  n  I 0 1617,1  1,2  30,3
I1  ò

 751,6 кДж/кг;
1 n
1  1,2
d  n  d 0 220  1,2  6
d1  ò

 103,3 г/кг.
1 n
1  1,2
Процесс испарения влаги проходит по линии I = const.
Следовательно, I2 = I1 = 751,6 кДж/кг. Преобразуя формулу (1.26),
определяем влагосодержание отработавшего сушильного агента:
I 2  câ t 2
751,6  1,0694  120
d2 

 226,7 г/кг.
0,001  (ñï t 2  2501) 0,001  (2,0670  120  2501)
По формуле (1.42) определяем удельный расход теплоты на
испарение влаги:
1000  (751,6  30,3)
qèñï 
 5845,2 кДж/кг.
226,7  103,3
Ответ: qисп = 5845,2 кДж/кг.
Пример № 27. В воздушную сушилку с многократной
циркуляцией из атмосферы поступает М0 = 1 кг/с воздуха с
температурой t0 = 100С и влагосодержанием d0 = 2 г/кг. Он
смешивается с М2 = 63 кг/с отработавшего сушильного агента,
температура которого t2 = 960С, а относительная влажность 2 = 0,35.
Определить температуру и относительную влажность сушильного
агента, поступающего в сушильное пространство. Каким будет
8
удельный расход теплоты на испарение влаги?
Решение. По табл. 1 приложения находим, что для температуры
t2 = 960С давление насыщенного пара составляет pн2 = 87 890 Па.
Парциальное давление пара в отработавшем сушильном агенте и его
влагосодержание определяем по формулам (1.12) и (1.14):
pï2  0,35  87 890  30 762 Па;
622  30 672
d2 
 275 ,2 г/кг.
100 000  30 672
По формуле (1.23) рассчитываем энтальпию атмосферного и
отработавшего воздуха:
I 0  1,01  10  0,001  2  (1,88  10  2500)  15,1 кДж/кг;
I 2  1,01  96  0,001  275,2  (1,88  96  2500)  834,6 кДж/кг.
По формуле (1.34) определяем коэффициент пропорции смеси,
после чего, используя выражения (1.35) и (1.36), находим энтальпию и
влагосодержание смеси атмосферного и отработавшего воздуха:
Ì
63
n 2 
 63 ;
Ì 0 1
15,1  63  834,6
I3 
 821,8 кДж/кг;
1  63
2  63  275,2
d3 
 270,9 г/кг.
1  63
Энтальпия и влагосодержание воздуха, поступающего в
сушильное пространство после нагревания в калорифере, будут равны
I1 = I2 = 834,6 кДж/кг; d1 = d3 = 270,9 г/кг. По формуле (1.24)
рассчитываем температуру этого воздуха:
834,6  2,5  270,9
t1 
 103, 6 0С.
1,01  0,00188  270,9
По табл. 1 приложения определяем давление насыщения,
соответствующее этой температуре, pн1 = 116 425 Па, а по формуле
(1.15) – парциальное давление водяного пара
100 000  270,9
pï1 
 30 339 Па.
622  270,9
Тогда относительная влажность воздуха перед поступлением его
в зону сушки составит в соответствии с формулой (1.12)
30 339
1 
 100  26,1 %.
116 425
9
Удельный расход теплоты на испарение влаги рассчитываем по
формуле (1.41):
1000  (834,6  15,1)
qèñï 
 2999,6 кДж/кг.
275,2  2,0
Ответ: t1 = 103,60С; 1 = 26,1%; qисп = 2999,6 кДж/кг.
Пример № 28. Атмосферный воздух поступает в эжекционную
камеру, имея температуру t0 = 260С и относительную влажность 0 = 40%. В вентиляторе он смешивается в соотношении
n1 = М2/М0 = 2 с отработавшим воздухом, параметры которого
составляют t2 = 540С; 2 = 85%. Образовавшаяся при этом смесь в
состоянии 3 поступает в эжектор, где вновь смешивается с
отработавшим воздухом. Коэффициент пропорции смеси при этом
составляет n2 = М2/М3 = 5. Определить температуру и степень
насыщенности сушильного агента, подаваемого в зону сушки.
Решение. Воспользовавшись табл. 1 приложения, определяем
давление насыщения при температуре t0 = 260С и t2 = 540C:
pн0 = 3384 Па; pн2 = 15 060 Па. По формулам (1.12), (1.14) и (1.23)
последовательно
находим
парциальное
давление
пара,
влагосодержание и энтальпию атмосферного воздуха и отработавшего
агента сушки:
pï0  0,4  3384  1354 Па;
pï 2  0,85  15 060  12 801 Па;
622  12 801
622  1354
d0 
 8,5 г/кг;
d2 
 91,3 г/кг;
100 000  12 801
100 000  1354
I 0  1,01  26  0,001  8,5  (1,88  26  2500)  47,9 кДж/кг;
I 2  1,01  54  0,001  91,3  (1,88  54  2500)  292,1 кДж/кг.
Применяя формулы (1.35) и (1.36), рассчитываем энтальпию и
влагосодержание смеси, образующейся в вентиляторе:
I n I
47,9  2  292,1
I3  0 1 2 
 210,7 кДж/кг;
1  n1
1 2
d  n d
8,5  2  91,3
d3  0 1 2 
 63,7 г/кг.
1  n1
1 2
По этим же формулам находим энтальпию и влагосодержание
смеси, образующейся в эжекторе (состояние 4):
I  n2  I 2 210,7  5  292,1
I4  3

 278,5 кДж/кг;
1  n2
1 5
10
d 3  n2  d 2 63,7  5  91,3

 86,7 г/кг.
1  n2
1 5
Энтальпия и влагосодержание сушильного агента, подаваемого
в зону сушки, равны I1 = I2 = 292,1 кДж/кг; d1 = d4 = 86,7 г/кг. Зная это,
по формуле (1.24) определяем температуру сушильного агента:
292,1  2,5  86,7
t1 
 64,2 0С.
1,01  0,00188  86,7
По табл. 1 приложения определяем, что найденной температуре
соответствует давление насыщения pн1 = 24 196 Па. Парциальное
давление пара в этом воздухе рассчитываем по формуле (1.15):
100 000  86,7
pï1 
 12 234 Па.
622  86,7
Тогда степень насыщенности сушильного агента составляет
12 234
1 
 0,51 .
24 196
Ответ: t1 = 64,20С, 1 = 0,51.
Пример № 29. Сушильный агент в газовой сушилке с
многократной циркуляцией образуется в результате смешивания
топочного газа, атмосферного воздуха и отработавшего сушильного
агента,
которые имеют следующие значения энтальпии и влагосодержания: Iт = 1300 кДж/кг; dт = 84 г/кг; I0 = 25 кДж/кг; d0 = 4 г/кг;
I2 = 280 кДж/кг; d2 = 75 г/кг. Общее количество сушильного агента,
поступающего в зону сушки, составляет М1 = 66 кг/с, а его
влагосодержание d1 = 65 г/кг. Определить количество каждого
компонента, поступающего в камеру смешения.
Решение. В соответствии с рис. 1.10, б, IА = I1 = I2. Учитывая это
обстоятельство, по формуле (1.37) определяем коэффициент
пропорции смеси при смешивании атмосферного воздуха и топочного
газа:
I I
1300  280
n1  T A 
 4.
IA  I0
280  25
Влагосодержание смеси состояния А определяем по формуле (1.36):
d  n1  d 0 84  4  4
dÀ  T

 20,0 г/кг.
1  n1
1 4
d4 
11
По формуле (1.37) находим коэффициент пропорции смеси при
смешивании агента сушки состояний А и 2:
d  d1 20  65
n2  A

 4,5 .
d1  d 2 65  75
Применив уравнение (1.34), запишем систему уравнений:
Ì 2
 4,5 ;
Ì À
Ì 2  Ì À  66 .
Решив систему, получаем МА = 12 кг/с, М2 = 54 кг/с.
Составляем еще одну систему уравнений:
Ì 0  Ì ò  12 ;
Ì 0
 4.
Ì ò
Решением этой системы будет Мт = 2,4 кг/с; М0 = 9,6 кг/с.
Ответ: М0 = 9,6 кг/с; Мт = 2,4 кг/с; М2 = 54 кг/с.
Пример № 30. Топочный газ, атмосферный воздух и
отработавший сушильный агент смешиваются в газовой сушилке с
многократной циркуляцией в соотношении 1:5:48. Температура и
относительная влажность атмосферного воздуха составляют t0 = 160С;
0 = 80%. Топочный газ имеет температуру tт = 9000С и
влагосодержание dт = 90 г/кг. Температура отработавшего сушильного
агента равна t2 = 800С. Определить влагосодержание, энтальпию и
температуру сушильного агента на входе в сушильное пространство.
Каким будет удельный расход теплоты на испарение влаги в сушилке?
Решение. Используя данные табл. 1 приложения, а также
формулы (1.12), (1.14) и (1.23), находим параметры атмосферного
воздуха, поступающего в сушилку:
pï0  0,8  1828  1462 Па;
pí0  1828 Па;
622  1462
d0 
 9,2 г/кг;
100000  1462
I 0  1,01  16  0,001  9,2  (1,88  16  2500)  39,4 кДж/кг.
Для диапазона температур 0–9000С по табл. 3 приложения принимаем значения теплоемкости воздуха и пара:
св = 1,0869 кДж/(кгК); сп = 2,1370 кДж/(кгК).
По формуле (1.26) рассчитываем энтальпию топочного газа
I Ò  1,0869  900  0,001  90  (2,1370  900  2501)  1376,4 кДж/кг.
12
Коэффициент пропорции смеси атмосферного воздуха и
топочного газа (состояние А), согласно формуле (1.34), составит
Ì
5
n1  0   5 .
Ì ò 1
13
Применяя уравнения (1.35) и (1.36), определяем энтальпию и
влагосодержание смеси состояния А:
I  n1  I 0 1376,4  5  39,4
IA  T

 262,2 кДж/кг;
1  n1
1 5
d  n1  d 0 90  5  9,2
dA  T

 22,7 г/кг.
1  n1
1 5
По
формуле
(1.25)
рассчитываем
влагосодержание
отработавшего сушильного агента. При этом учитываем, что I2 = IA =
262,4 кДж/кг:
262,2  1,01  80
d2 
 68,4 г/кг.
2,5  0,00188  80
Коэффициент пропорции смеси отработавшего сушильного
агента и газа состояния А составляет
Ì
Ì 2
48
n2  2 

 8.
Ì À Ì ò  Ì 0 1 5
По формуле (1.36) определяем влагосодержание сушильного
агента на входе в сушильное пространство (состояние 1):
d  n2  d 2 22,7  8  68,4
d1  A

 63,3 г/кг.
1  n2
1 8
Энтальпия сушильного агента в состоянии 1 составляет
I1 = I2 = IA = 262,2 кДж/кг. По формуле (1.24) рассчитываем его температуру:
262,2  2,5  63,3
t1 
 92,1 0С.
1,01  0,00188  63,3
Удельный расход теплоты на испарение влаги определяем по
формуле (1.43):
1000  (262,2  39,4)
qèñï 
 4875,3 кДж/кг.
68,4  22,7
Ответ:
d1 = 63,3 г/кг;
I1 = 262,2 кДж/кг;
t1 = 92,10С;
qисп = 4875,3 кДж/кг.