Матеріальний та тепловий баланс сушіння
Як вихідні дані для розрахунку основних показників процесу сушіння зазвичай задаються характерні фізичні, хімічні та геометричні властивості сирого матеріалу, його початкова і кінцева вологість, максимально допустимі температури сушіння, криві швидкості сушіння і продуктивність установки.
Важливим етапом у розрахунку сушильної установки єскладання матеріального та теплового балансів. З матеріального балансу визначають кількість вологи, що видаляється, сухого матеріалу, одержуваного в результаті сушіння, і витрата сушильного агента. Тепловий баланс дозволяє виявити питому витрату теплоти на 1 кг випареної вологи, втрати теплоти з сушильним агентом, що йде, і в навколишнє середовище, коефіцієнт корисної дії, а також витрата палива на сушку.
Для сушильних установок, що безперервно діють, матеріальний баланс відноситься до одиниці часу (τ = 1 с), а теплової — як до одиниці часу, так і до одиниці випареної вологи. Для установок періодичної дії, зазвичай, баланси становлять весь період сушіння.
Матеріальний баланс безперервно діючої сушильної установки. При складанні балансу зазвичай нехтують втратою матеріалу та сушильного агента. Маси висушеного та сирого матеріалу пов'язані рівнянням матеріального балансу
де W - кількість віддаленої у процесі сушіння вологи, кг/с.
Кількість вологи, що надходить та виходить із сушильної камери:
Формули Для перерахунку одного виду вологості на інший:
Кількість сухої речовини, %,
Кількість випареної вологи, %,
або після простого перетворення рівностей (39) та (40) отримаємо
Витрата сухого повітря L в герметично газощільній конвективній сушильній камері з одноразовим використанням можна визначити з рівняннябалансу вологи
Питома витрата повітря на 1 кг випареної вологи
Тепловий баланс. На малюнку 4, а представлені принципова схема конвективної сушильної установки, що працює за розімкненим циклом, та зображення процесу сушіння в Id-діаграмі. Відповідно до позначень на схемі тепловий баланс можна подати такою рівністю:
де I0, I2 - ентальпії повітря перед калорифером і на виході із сушильної камери, кДж/кг сухого повітря; Qк - кількість теплоти, підведена в основному калорифері, кВт; c′м, c′′м – теплоємності матеріалу при температурі на вході t′м та виході t′′м із сушильної камери, кДж/(кг·К); G2 - кількість сухого матеріалу, G2 = G1 - W, кг/с; Gтр - маса транспортних пристроїв, віднесена до одиниці часу, кг/с; c′тр, c′′тр – теплоємність транспортних пристроїв при температурі на вході t′тр та виході t′′тр із сушильної камери; Qд - кількість теплоти, підведена в сушильну камеру через додатковий калорифер, кВт; Qп - Втрата теплоти в навколишнє середовище, кВт.
Мал. 4 - Принципова схема (а) конвективної сушильної установки, що працює за розімкненим циклом, і (б) - процес сушіння в Id-діаграмі: 1 - дутьовий вентилятор; 2 – основний калорифер; 3 - додатковий калорифер у камері; 4 - сушильна камера
Теплоємність вологого матеріалу
де с0, св - теплоємність сухої речовини та води.
Після нескладних перетворень та розподілу всіх членів рівності (45) на W отримаємо рівняння теплового балансу, віднесеного до 1 кг випареної вологи,
де qк, qд - питома витрата теплоти на 1 кг випареної вологи в основному та додатковому калориферах, кВт/кг; qм, qтр, qп - витрата теплоти на нагрівання матеріалу, транспортних пристроїв, втрати в навколишнє середовище, кВт/кг:
де k - коефіцієнттеплопередачі, кВт/(м 2 ·К); Δt - температурний натиск, град; F - Поверхня огорож окремих ділянок, м 2 .
У той же час витрати теплоти на підігрів повітря в основному калорифері
де I1 - ентальпія повітря за калорифером.
Прирівнюючи праві частини рівностей (49) та (50), отримаємо
тобто процес сушіння йде за постійної ентальпії. Вся теплота, передана від повітря матеріалу, витрачається на випаровування вологи і повертається в потік повітря з парами (як тепло фазового переходу рідини в пару). Такий процес називають теоретичним.
Процес теоретичного сушіння на Id-діаграмі (рис. 4, б) зображено лініями АВ - підігрів повітря в калорифері при d0 = d1; ВС - процес сушіння або випаровування вологи при I = const.
Під теоретичною сушаркою розуміють таку умовну установку, в якій відсутні втрати теплоти в навколишнє середовище, нагрівання матеріалу і транспортних пристроїв і в якій температуру матеріалу при вході та виході з сушильної камери приймають рівною 0 °С.
Ентальпія вологого повітря при атмосферному тиску за Id-діаграмою
де ссв - теплоємність сухого повітря.
У зимовий час витрата теплоти на нагрівання матеріалу збільшується, тому що частина вологи в матеріалі знаходиться в замерзлому стані. З дослідів встановлено, що в основному замерзає лише вільна волога, а пов'язана залишається в рідкій фазі, що переохолоджується.
Для розморожування потрібна додаткова витрата теплоти на підігрів льоду до 0 ° С і перетворення їх у воду. У цих випадках витрати теплоти на нагрівання матеріалу
де W′′ — кількість льоду, що розморожується, в одиницю часу, кг/с;
де ω′ — вологість матеріалу, нижче за яку волога не замерзає, а вище за яку перебуває у стані льоду.
У рівності(47) суму всіх втрат позначимо через Δ, тоді
Підставляючи в рівняння теплового балансу (47) Δ і замінюючи qк = l·(I1 – I0), отримаємо
Рівність (57) є рівнянням прямої, тобто залежність між параметрами I і d в процесі сушіння прямолінійна.